1. Úvod

V řadě videokazet 'Cesty k vědění' jsou sledovány dva hlavní záměry:
1) Vyvolat zájem o fyzikální jevy, se kterými se denně setkáváme bud přímo nebo prostřednictvím jejich aplikací, o jejich hlubší pochopení a výklad,
2) ukazovat nové cesty a překvapivé výsledky, ke kterým fyzika zatím dospěla.

Tento pořad patří spíše do první skupiny. Právě elektrické jevy se svým praktickým využitím hluboce ovlivnily ve svých důsledcích náš způsob života a do značné míry i tvář Země. Změny, ke kterým došlo během posledních 100 let, se dotýkají každého jednotlivce a různé způsoby aplikace elektřiny, zejména elektrického proudu, provázejí každého z nás od rána do noci, a to po celý život (zdroje světla a tepla, dopravní prostředky, stroje a přístroje ulehčující práci, telefon, rádio, televize, počítače atd.)Rozvoj elektrotechniky založený na znalosti fyzikálních zákonů řídících elektrické jevy umožnil totiž i vznik a vývoj elektroniky, mikro- elektroniky a počítačové techniky. Jejich rozvoj však znamená další vývojovou etapu, jejíhož konce zatím nelze ani dohlédnout.

Základní poznatky o elektrických nábojích a elektrickém proudu jsou - přirozeně v různém rozsahu - probírány v rámci programu škol a jednotlivých tříd. Předkládaný pořad v podstatě nevychází za rámec základních poznatků. Má školní vědomosti připomenout a poskytnout příležitost k jejich ověření. Přitom má hlavně zdůraznit jejich vzájemné souvislosti, návaznosti jednotlivých částí a zejména též vazbu na aplikace. Má ukázat, jakými přeměnami energie dospějeme nakonec od primárních zdrojů k energii elektrické, na čem jsou tyto řetězce přeměn založeny, a jaké jsou hranice možností. Pořad by měl působit i výchovně - žáci a studenti by si měli uvědomit skutečnou hodnotu této energie.
V hodnotě elektrické energie by měla být zahrnuta nejen cena primárních - často neobnovitel-  ných - zdrojů, a cena vlastní výroby, ale i výdaje na zneškodnění odpadů a rekultivaci krajiny a hodnota minulé výzkumné a vývojové práce i současné práce všech těch, kteří realizuji řetězce vzájemných přeměn energií.
Na jejich konci je potom tak lehce využitelná a snadno dostupná energie elektrická. Snímek by měl kromě připomenutí faktu, že využívání především neobnovitelných primárních zdrojů vede i k velmi vážným ekologickým důsledkům, vzbudit i pocit odpovědnosti za další vývoj v tomto směru.

Pořad má zpřehlednit a poněkud zesystemizovat poznatky o zdrojích elektrické energie, zdůraznit úlohu vzájemných přeměn energie a zároveň vychovávat k tomu, aby se elektrickou energií neplýtvalo, a využívala se s rozumem.

2. Statická elektřina . Elektrické náboje

Kapitola o statické elektřině je uvedena jen krátce. Základní poznatky o silách mezi náboji jsou snad dostatečně známy ze školních pokusů a výkladů. Menší pozornost se však asi věnuje podstatě těchto nábojů.

Dva druhy nábojů, které můžeme odlišit právě pomocí sil, jimiž na sebe vzájemně působí, byly dohodou označeny jako + a -, přičemž jak známo, elektrostatika bere za 'základní' náboj + (kladný). Teprve později, s rozvojem atomové teorie, kdy se prokázala existence elementárních, tj. dále již nedělitelných nábojů, se ukázalo, že vlastně pro průběh většiny elektrických jevů jsou důležitější náboje záporné - elektrony ( náboj elektronu byl změřen a rovná se 1,6.l0^-l9C). Elementární kladné náboje samozřejmě také existují. Jsou to protony, tvořící součást atomových jader (existují i jiné elementární částice s kladným nábojem, ale ty se v elektrických dějích prakticky neuplatňují, známe je z fyziky vysokých energií, ze subjaderné fyziky). V neutrálních atomech je počet protonů v jádře roven počtu elektronů v elektronovém obalu. Elektrony je možné z elektronového obalu dodáním dostatečné energie uvolnit, jsou “pohyblivější“ než protony vázané v jádře a mohou přecházet z jednoho tělesa na druhé (např. v důsledku tření). Těleso, na které přejdou, se tedy nabije záporně, v tělese, z něhož byly některé elektrony odvedeny, převáží kladný náboj jader a těleso se nám bude jevit jako kladné.

Elektrony můžeme uvolněním z pevných látek (prakticky většinou z kovů) získat i jako “volné“ a vytvořit z nich elektronový svazek (viz následující odstavec). Podobný svazek můžeme vytvořit i z částic kladných, např. protonů. To jsou vlastně jádra vodíkových atomů, získaná odtržením valenčního elektronu od atomu. Podobně můžeme vytvořit proud částic alfa, což jsou atomy helia zbavené obou valenčních elektronů a reprezentují tedy ionty se dvěma elementárními náboji. Takovéto svazky kladných částic urychlených na vysoké energie se využívají zejména v jaderné fyzice, v běžných aplikacích se s nimi setkáváme mnohem méně.

Ionty libovolné látky lze získat, jestliže její atomy zbavíme jednoho nebo i několika elektronů (kladné ionty s jedním nebo několika elementárními náboji) nebo pokud k nim jeden nebo několik elektronů připojíme (záporné ionty). Takové ionty se vyskytují zejména ve výbojích v ionizovaných plynech, se kterými se setkáváme např. v světelných zdrojích (více o tom např. videopořad “Budiž světlo” (1)) a jiných aplikacích (např. svařování, iontové motory atd.). Svazky iontů se využívají v některých elektronických přístrojích, v mikroelektronice při přípravě a zpracování tenkých vrstev apod. To ovšem nejsou případy, se kterými bychom se běžně setkávali v denním životě , i když výrobky, které se jejich pomocí vyrábějí, slouží velmi často (mikroelektronické prvky v přijímačích, televizorech, počítačích apod.).

Ionty vznikají i v kapalinách - dissociací, tj. rozštěpením molekul na kladné a záporné ionty.
I tyto ionty mohou obecně nést jeden nebo několik elementárních nábojů. Celkový náboj kladných a záporných iontů je přitom v rovnovážném stavu stejný.

Kapaliny obsahující ionty, tzv. elektrolyty, jsou většinou roztoky. Zředěné roztoky silných kyselin, zásad a jejich solí bývají dissociovány na 100 %, tj. prakticky všechny molekuly jsou rozštěpeny na ionty, u koncentrovaných roztoků zůstává část molekul nerozštěpena. U tzv. slabých elektrolytů je stupeň dissociace nižší. U vodných roztoků hraje velkou roli pro dissociaci voda, která má silně polární molekuly. Sama voda dissociuje na ionty H⁺ a OH^-. Koncentrace vodíkových iontů je mírou kyselosti nebo zásaditosti roztoku. Ta je charakterizo- vána číslem pH, což je záporně vzatý exponent u čísla vyjadřujícího koncentraci H⁺. Neu- trální reakce je vyjádřena číslem 7 (to odpovídá koncentraci H⁺ 10^-7 iontů v krychlovém centimetru) . Čísla menší, tj. 6, 5 atd. příslušejí reakci kyselé, tedy většímu obsahu H⁺, čísla větší reakci zásadité.

Elektrolyty mohou však být i taveniny některých solí a existují i pevné elektrolyty vykazující při zvýšené teplotě iontovou vodivost (viz dále některé příklady v odstavci o elektrochemic- kých zdrojích).

3. Elektrický proud

Elektrický vodivostní proud je tvořen uspořádanou složkou pohybu volných nábojů. (Zde se nebudeme zabývat tzv. proudem posuvným.) Jeho hustota je dána počtem nábojů procházejících za jednotku času jednotkou plochy vodiče. Příčinou tohoto pohybu je většinou elektrické pole, které působí na náboje silou úměrnou velikosti náboje a intenzitě tohoto pole, a které je důsledkem vloženého napětí. V některých případech je příčinou proudu rozdíl koncentrací nosičů proudu - elektronů nebo iontů - v různých částech vodiče. Nosiče se potom pohybují převážně od místa s vyšší koncentrací do místa s koncentrací nižší, v tomto případě mluvíme o difuzním proudu. Ten je důležitý zejména v polovodičových prvcích, jimi se však nebudeme dále zabývat.

Úměrnost mezi vloženým napětím U a vznikajícím proudem I vyjadřuje známý Ohmův zákon I = U/R, kde “R“ je odpor vodiče určený jeho rozměry a měrnou vodivostí příslušného materiálu:

R = r l/S ,

kde “1“ je délka vodiče, “S“ jeho průřez a “r“měrný odpor materiálu. Jeho převrácená hodnota je měrná vodivost s. Tyto veličiny jsou charakteristické pro určitou látku, ale závisejí ještě na řadě parametrů. Je to zejména teplota, ale i osvětlení (u některých polovodičů), magnetická indukce, intenzita elektrického pole (pro vysoké intenzity) atd.

Elektrický proud ve vakuu je tvořen usměrněným proudem elektronů - elektronovým svazkem (příp. iontů - iontovým svazkem). Elektrony uvolněné např. působením vysoké teploty z kovové katody (blíže viz např. (2)) mohou být urychleny vloženým napětím a usměrněny pomocí elektrod vhodných tvarů a potenciálů do úzkého svazku, který prochází vakuem za nepřítomnosti polí přímočaře a bez interakcí. Aby tomu tak skutečně bylo, musí být vakuum tak vysoké, tj. koncentrace částic v uvažovaném prostoru tak nízká, aby pravděpodobnost, že se elektron setká na své cestě s molekulou plynu, byla velmi malá. Tuto podmínku lze kvantitativně vyjádřit za pomoci kinetické teorie plynů tak, že střední volná dráha elektronů musí být srovnatelná nebo větší než vzdálenost, kterou musí elektrony urazit, např. na cestě od zdroje ke stínítku obrazovky. ( Při běžných rozměrech systému to odpovídá tlaku 10^-3 Pa.)

Pohyb elektronového svazku můžeme popsat jako pohyb souboru jednotlivých elektronů (jejich vzájemné odpuzování můžeme zanedbat, pokud svazek nemá příliš vysokou hustotu). Musíme tedy znát sílu, kterou na elektron (nebo iont - v dalším mluvíme pro jednoduchost

o elektronech) působí elektrické a magnetické pole. Touto silou je Lorentzova síla

(1)

kde e je příslušný náboj (náboj elektronu nebo jeho násobek), je intenzita elektrického pole, - rychlost elektronu (daná v podstatě napětím, kterým byl urychlen) a magnetická indukce. Jedná se o vektorovou rovnici, která vyjadřuje zároveň i směr sil: směr síly je shodný se směrem pole a kolmý na rovinu určenou směrem rychlosti v a magnetické indukce (to vyjadřuje součin v hranaté závorce, což je tzv. součin vektorový). Sílu můžeme vyjádřit pomoci druhého Newtonova zákona jako součin hmotnosti a zrychlení. Vyřešením této rovnice pak můžeme určit pro daný případ tvar dráhy, po jaké se budou částice pohybovat.
(Ve snímku je naznačen pohyb svazku vstupujícího kolmo do homogenního elektrického pole a šířícího se v obrazovce dále oblastí bez pole.) Při použití magnetu je výchylka způsobena druhým členem v rovnici (1) (pole magnetu použité na snímku ovšem není homogenní).

Při průchodu proudu ionizovaným plynem jsou poměry složitější. Hustota částic je mnohem vyšší, částice vykonávají tepelné pohyby, neustále se mezi sebou srážejí, dochází ke změnám jejich energie a impulzu, příp. se mění i jejich nábojový stav. Dochází k ionizaci nárazem, částice plynu - atomy a molekuly - mohou při setkání s elektrony buď jeden nebo více elektronů ztratit a změnit se na kladné ionty, nebo mohou jeden nebo několik elektronů zachytit a změnit se na ionty záporné. Kromě toho dochází k rekombinaci, tj. spojení kladného iontu se záporným iontem nebo s elektronem (elektrony), čímž vznikne neutrální molekula nebo atom. Nakonec se při daném vloženém napětí ustálí jakési rovnovážné rychlosti, s nimiž se v celku pohybují kladné ionty ke katodě a záporné ionty a volné elektrony k anodě. V detailu je ale jejich pohyb složitý a může se měnit v prostoru i čase. To, co vidíme na snímcích výbojů, je většinou kladný sloupec doutnavého výboje, který je ve stavu tzv. plazmatu. (Blíže viz např. (1))

Vložíme-li napětí mezi dvě elektrody ponořené do kapaliny obsahující ionty, tj. do elektro- lytu, budou se kladné částice pohybovat směrem k záporné elektrodě – katodě, a nazýváme
je proto kationty, záporné částice k elektrodě kladné – anodě, a nazýváme je anionty. (Tento pohyb se skládá s jejich neuspořádaným tepelným pohybem). Elektrolyt se tedy rozkládá, dochází k elektrolýze a na elektrodách se z roztoku vylučují částice, které se tam buďto neutralizují a ukládají (např. se na katodě vylučuje vrstva kovu nebo plyn, např. vodík ve formě bublinek, které unikají), nebo tam chemicky reagují a vytvářejí sloučeniny. Ionty přenášejí nezanedbatelnou hmotnost, průchod proudu je tedy provázen přenosem hmoty, v tomto případě mluvíme o vodičích druhého druhu.

O procesech v elektrolytech viz více v příštím odstavci.

Při průchodu proudu pevnými látkami, kde přenos náboje zprostředkují velmi lehké elektrony, k přenosu hmoty a chemickým změnám nedochází. Nazýváme je vodiči prvního druhu. Při velmi velkých hustotách proudu, řádově asi lO⁶A/cm², to však přestává platit.

Dochází k tzv. elektromigraci, při níž se pohybující elektrony jakoby “postrkují“ před sebou částice - ionty - látky a způsobují tak jejich transport od katody k anodě, tedy opačným směrem, než by se kladné ionty pohybovaly v důsledku elektrického pole. Elektromigrace je velmi nepříjemným jevem, který může vést k porušování mikroskopických vodičů v integrovaných obvodech, a je nutné proti ní zavádět speciální opatření.

Otázky:

1) Chceme-li přenést náboj ze zelektrované tyče např. na kovovou kouli, musíme tyčí táhnout.
Proč?

2) Jak je rozložen statický náboj na výrobku z izolantu (např. umělé hmoty) a jak na kovovém
výrobku stejného tvaru pro a) kouli, b) tyč?

3) Co se asi stane s ionty vodíku, které dopadly ve výboji na zápornou elektrodu?

4) Určete, po jaké dráze se pohybují elektrony v obrazovce, vstupují-li kolmo do oblasti homogenního elektrického pole mezi rovinnými odchylovacími destičkami a po výstupu z něho se šíří v prostoru bez pole? (Okrajové efekty nehomogenity pole u vstupu a výstupu z odchylovacího systému zanedbáváme.)

5) Po jaké křivce se budou pohybovat elektrony v homogenním magnetickém poli, do kterého vstupují kolmo k jeho indukčním čarám? Jak se bude měnit jejich energie? (Stačí provést úvahu na základě směru zrychlení.)

4. Elektrická energie a principy jejího získávání

Uvažujeme-li stejnosměrný proud, pak elektrická energie uvolňovaná za jednotku času (tj. výkon P) je dána součinem proudu a napětí P = I . U. U střídavého proudu (viz dále) je P dáno součinem jejich efektivních hodnot I_ef .U_ef a kosínem úhlu, o který jsou případně navzájem posunuty jejich fáze, tj. cos j

P = I_ef . U_ef .cos j (2)

(Blíže viz odst. 5). Výkon vyjadřujeme v jednotkách watt (W), příp. v jeho násobcích kW, MW atd. Energii pak měříme jako výkon, který byl dodáván po určitou dobu. Základní jednotka je wattsekunda (která je rovná 1 joulu) a od ní jsou opět odvozeny jednoty další, především watthodina (Wh) a dá1e kWh, MWh atd.

Elektrická energie je, jako každá jiná energie, v podstatě schopností konat práci. Podle zákona zachování energie nemůžeme elektrickou energii získat jinak než přeměnou z nějakého jiného druhu energie. Často je cesta od původního - primárního - zdroje až k energii elektrické dlouhá. Tak např. chemická energie nastřádaná ve fosilních palivech - uhlí, ropě a zemním plynu - díky sluneční energii, umožňující růst rostlin, které pak byly podrobeny dalším chemickým přeměnám v zemské kůře, se hořením mění na energii tepelnou, ta se používá k vypaření vody a výrobě páry o vysoké teplotě a tlaku (mění se tedy ve vnitřní energii plynu), pára pohání turbínu tj. mění svou energii na energii kinetickou, a ta teprve roztáčí generátor, který poskytuje energii elektrickou. Účinnost každé přeměny je menší než jedna. Při každé z přeměn se část energie “ztratí“, tj. přemění v teplo, které už nemůžeme k dalším přeměnám využít. Z tohoto hlediska je tedy žádoucí hledání takových metod, které vedou k přímé přeměně nějaké energie v elektrickou. Metody jsou to v podstatě dvě: přímá přeměna chemické energie na elektrickou pomoci elektrochemických zdrojů a přímá přeměna zářivé energie na elektrickou ve fotovoltaických (slunečních) článcích. I tyto přeměny ovšem probíhají s účinností menší než jedna.

Získaná elektrická energie nám většinou slouží tak, že ji opět dále měníme na jiné druhy energie - tepelnou (vytápění), světelnou (svícení), pohybovou (transport, stroje) atd. Jako prostředník je velice výhodná, mimo jiné i proto, že ji můžeme pomocí elektrických sítí vysokého napětí poměrně snadno rozvádět i do velkých vzdáleností.

Pomocí této koncepce centralizovaných velkých zdrojů (elektráren) a rozvodných sítí je dnes zajišťována převážná většina spotřeby elektrické energie. Nicméně se rozvíjí i koncepce menších decentralizovaných zdrojů, které vyrábějí elektrickou energii přímo v místě její spotřeby. To se děje zejména v případě využití obnovitelných zdrojů energie (sluneční, větrná apod.) v těžko dostupných místech, např. v horách, na ostrovech atd.

5. Elektrochemické zdroje elektrické energie

Elektrochemické zdroje mění energii chemickou přímo na energii elektrickou.

Objevení prvního elektrochemického zdroje L.Galvanim bylo příkladem toho, že soustavný základní výzkum může poskytnout někdy zcela nečekané a převratné výsledky, byť i jiné, než se předpokládalo, které zasahují případně i do jiných oblastí vědy. Pokus, který je obecně znám a na kazetě též popsán, vedl k objevu typu článků, které byly po svém objeviteli nazvány galvanickými. Dva různé kovy byly spojeny vodivou kapalinou, v tomto případě tvořenou tělní tekutinou žáby, a tento systém se stal zdrojem elektromotorického napětí, které způsobilo průchod elektrického proudu, jehož působení vyvolalo smrštění žabích svalů.

Pro využití tohoto jevu se ovšem dnes užívají daleko lépe definované systémy.

Současné elektrochemické zdroje si můžeme rozdělit do tří skupin:
a) První jsou galvanické články primární, které poskytují napětí pomocí přímé přeměny chemické energie na elektrickou. Mohou to činit pouze po určitou dobu, jejich životnost je omezena a nelze je regenerovat. Nazýváme je články primární.

b) Články sekundární, neboli akumulátory, též mění přímo chemickou energii v elektrickou. Tento proces je ale vratný, to znamená, že vybitý článek můžeme z vnějšího zdroje nabít a tyto cykly lze mnohokrát opakovat.

c) Elektrochemické palivové články, jsou články, do kterých dodáváme nepřetržitě chemické látky, které vstupují do reakce poskytující elektrický proud. Ten pak můžeme trvale odebírat.

Základem funkce elektrochemických článků je oxidačně - redukční chemická reakce: oxidující se látka (redukční činidlo) při ní ztrácí elektrony, redukující se látka (oxidační činidlo) elektrony získává. Aby bylo možné tento proces využít jako zdroj proudu,
je třeba místo obou reakcí od sebe oddělit. Probíhají v tomto případě na dvou různých elektrodách, které jsou ponořeny do elektrolytu, což je většinou roztok, ale může to být i tavenina nebo pevná látka, která vykazuje iontovou vodivost. Při vybíjení se záporná elektroda oxiduje - uvolňuje elektrony, kladná elektroda se redukuje.

Při vybíjení je tedy anoda záporná a katoda kladná, zatím co při nabíjení je anoda kladná a katoda záporná. Názvy “anoda“, “katoda“ zde nejsou spojeny s polaritou, nýbrž se směrem, kterým se pohybují ionty (blíže viz dá1e v odstavci o akumulátorech).

Na počítačových animacích je naznačeno, jak při ponoření elektrody do elektrolytu dochází k rozpouštění, které postupuje až do určitého rovnovážného stavu - mluvíme o rozpouštěcím tlaku. Na rozhraní mezi elektrodou a elektrolytem vzniká určitý rozdíl potenciálů, charakteristický pro každou kombinaci elektroda - elektrolyt, který však nemůžeme přímo změřit. Ponoříme-li do elektrolytu dvě různé elektrody, můžeme změřit rozdíl potenciálů mezi nimi. Je výhodné zavést relativní hodnoty potenciálu měřeného vzhledem k určité srovnávací elektrodě. Za tuto elektrodu byla zvolena např. tzv. vodíková elektroda
( podle Nernsta, existují ovšem i jiné srovnávací elektrody). Je to platinová deska pokrytá platinovou černí, v níž je pohlcen vodík za atmosférického tlaku, a která je ponořena do roztoku, obsahujícího 1 gramatom iontu vodíku v 1 1. Tabulka udává relativní potenciá1y některých prvků ponořených do normá1ního roztoku příslušné soli (tj. roztoku obsahujícího 1 grammolekulu soli na 1 l) vzhledem k vodíkové elektrodě:

Zn - 0,76 V Cu + 0,34 V
Fe - 0,43 V A9 + 0,80 V
Cd - 0,40 V Hg + 0,86 V
Ni - 0,22 V Br + 1,08 V
Pb - 0,12 V Cl + 1,36 V
H 0,00 V  O + 1,68 V

(Je patrné, že 'elektroda' může být tvořena i plynem, který je však pohlcený ve vhodné látce, jak jsme to podrobněji popsali u elektrody vodíkové).

Z těchto hodnot můžeme vypočítat elektromotorické napětí článku tvořeného kombinací různých materiálů ponořených do roztoků svých soli. Rozdíl potenciálů mezi dvěma různými roztoky, které musí být v elektrickém kontaktu, ale mohou být odděleny např. průlinčitou membránou, bývá nepatrný a nemusíme s ním počítat, např. u článku

Cu / roztok CuS0₄ / roztok ZnS0₄ / Zn (tzv. článek Daniellův) vychází toto napětí 0,34 V + 0,76 V = 1,10 V.

To je tzv. napětí bezproudové. Prochází-li článkem proud, je napětí na jeho svorkách menší, protože článek má určitý vnitřní odpor. Při malých odebíraných proudech jsou si však obě tato napětí prakticky rovna. Během provozu se napětí článku snižuje a udává se jeho střední napětí. Jedná-1i se o č1ánek sekundární, který můžeme znovu nabít, je při nabíjení naopak nutné použít nabíjecí napětí větší, než je napětí bezproudové.

Důležitou veličinou je kapacita článku (akumu1átoru), tj. náboj, který může při vybití poskytnout, a který se udává v Ah (ampérhodinách). Teoreticky je průchod 1 molu látky (tvořeného ionty s jedním nábojem) článkem spojen s průchodem Faradayova náboje -96 494 C, což je zhruba 26,8 Ah. Účinnost článků je menší než jedna, takže skutečná kapacita je vždy menší než teoretická. U článků je výrobcem udávána jmenovitá vybíjecí kapacita v Ah, příp. watthodinová kapacita ve watthodinách (Wh), která závisí na napětí článku.

Práce, kterou článek vykoná, se rovná práci na přenesení náboje mezi elektrodami při daném napětí, např. jestliže se na elektrodě vyloučil jeden gramatom látky, musel článkem projít Faradayův náboj F = 96494 C, vykonaná práce je F.U, kde U je napětí článku ( pro shora uvedený Daniellův č1ánek je to tedy 104920 J). O ce1é této problematice viz více v 3) a 6).

5.1. Galvanické články (primární)

Jedním z nejznámějších článků je článek Leclanchéův, který má zápornou elektrodu ze Zn, kladnou je MnO₂, elektrolytem je salmiak ( NH₄Cl ), obsažený jednak ve hmotě kladné elektrody a jednak ve speciálním nosiči, např. škrobu, papíru apod. ( Pro odvádění proudu z kladné elektrody slouží obyčejná uhlíková tyčinka, která však sama není elektrodou v elektrochemickém slova smyslu, jak je patrno i z dále uvedené proudotvorné reakce!) Záporná zinková elektroda tvoří zároveň vnější plášť článku, který poskytuje napětí 1, 5 V a má obsah energie cca. 0,120 Wh /cm².

Alkalický burelový článek má v podstatě tytéž elektrody jako článek Leclanchéův, elektroly- tem je zde však KOH. Anoda je vytvořena ze směsi burelu s grafitem, proudotvorná reakce
má tvar

2 Zn + 3 MnO₂ = 2 ZnO + Mn₃O₄
Napětí je též asi 1,5 V, obsah energie 0,2 - 0,3 Wh / cm². Z mnoha dalších existujících článků uvedeme pouze články lithiové, jichž je řada modifikací, a které se nyní těší značnému zájmu výrobců. Používají se většinou jako malé 'knoflíkové' články do kalkulaček, hodinek apod. Použitý elektrolyt a oxidační látka se mohou lišit. Např. pro článek s kladnou elektrodou MnO₂ je teoretické napětí 3 až 3,4 V, skutečné 2,63 V. Na podobném principu jako knoflíkové články jsou založeny i speciální články pro kardiostimulátory, které jsou vhodné pouze pro odběr velmi malých proudů, ale vydrží po dobu 6 až 8 let.

V článcích probíhají ještě jiné chemické reakce, než jen příslušné reakce proudotvorné. Ty způsobují jak postupné vybíjení článku v době, kdy není zapojen, tak během provozu mění chemické složení elektrod, způsobující tzv. polarizaci elektrod, která články znehodnocuje a znemožňuje použití obráceného chodu proudotvorných reakcí, tj. jejich opětné nabití.

5.2 Sekundární články - akumulátory

Jak již bylo řečeno, sekundární galvanické články se vyznačuji tím, že je lze po vybití pomocí vnějšího zdroje opět nabít. Slouží vlastně jako zásobníky elektrické energie, kterou potřebuje-  me použít v jiném místě nebo čase. Jednou z jejich velmi důležitých aplikací je proto využití v dopravních prostředcích, kde slouží zejména jako zdroj pro startéry, nebo v elektromobilech jsou přímo hlavním zdrojem energie pro pohon motoru. Dále jsou používány tam, kde síť není k dispozici (např. v ponorkách) a jako náhradní zdroje tam, kde by výpadek elektrické sítě mohl vést k velkým potížím a ztrátám (např. v nemocnicích, kinech apod.). Protože zde je normálně elektrická energie ze sítě dostupná, není žádným problémem akumulátory po použi- tí opět nabít. Další důležitou aplikací je spojení akumulátorů s obnovitelnými zdroji energie, zejména s energií sluneční, která je k dispozici pouze někdy, a to většinou v jiné době, než kdy ji nejvíce potřebujeme (den - noc). Možnost nastřádání (akumulace) energie je zde tedy zcela zásadním problémem.

Akumulátorů existuje velké množství. Vyrábějí se v nejrůznějších velikostech od miniatur- ních s výkonem 10^-5W až do výkonů řádově 10⁷W ( pro ponorky ). Na světě se jich ročně vyrobí miliardy kusů. ( Podrobnější informace viz např.(3)) Snahou je vyrobit akumulátor s velkou kapacitou, velkým počtem nabíjecích cyklů a co nejmenší hmotností. Pro každý daný typ akumulátoru existuje doporučená hodnota nabíjecího napětí a proudu, a je určen stav, při kterém je nutné nabíjení ukončit. Též je dána maximální hodnota vybíjecího proudu a konečné napětí, při němž je akumulátor nutno znovu nabít. Při překročení těchto hodnot se vlastnosti akumulátoru zhoršují a může dojít i k jeho zničení.Různé typy akumulátoru jsou ovšem vzhledem k dodržování těchto pravidel různě choulostivé.

5.2.1 Olověný akumulátor

Nejběžnějším akumulátorem je akumulátor olověný, jehož funkce včetně probíhajících chemických reakcí je na videokazetě podrobně popsána a nebudeme ji zde opakovat. Jmenovité napětí článků je 2 V. Obsah nastřádané energie je teoreticky 167 Wh / kg , prakticky dosahuje pouze 30 - 40 Wh / kg. Vzhledem k použití v dopravních prostředcích je vztažení na jednotku hmotnosti velmi důležité. Olovo je velmi těžký kov, takže z tohoto hlediska je tento typ akumulátorů nevýhodný a proto se hledají jiné možnosti. Nicméně prozatím je vzhledem ke své ceně a dostupnosti materiálů, stále ještě nejužívanějším.
Z hlediska ekologického je dosti nevhodný (možnost úniku kyseliny sírové atd.) To klade určité požadavky na akumulátorové nádoby a víka. Nádoby i víka jsou nyní většinou z plastů (např. z polypropylenu). Víka jsou přilepena nebo přitavena a mají za úkol oddělit vnitřek akumulátoru od okolního prostředí, zamezit úniku vody a aerosolu elektrolytu a pronikání ne- čistot dovnitř. Pólové vývody jsou utěsněny ve speciálních průchodkách, víka jsou opatřena různými konstrukcemi zátek, příp. i pojistnými přetlakovými ventily, umožňujícími únik vznikajících plynů. V některých konstrukcích se užívá zátek s katalyzátory, které způsobují sloučení vznikajícího vodíku a kyslíku na vodu a tak zabraňují úbytku vody ( kterou je jinak nutno doplňovat ). U velkých trakčních akumulátorů se někdy užívá zátek zajišťujících pomocí plováků automatické udržování hladiny elektrolytu. U běžných akumu1átorů je nutné hladinu vody kontrolovat a občas vodu dolévat. (Ke konci nabíjení se totiž voda rozkládá na vodík a kyslík, což označujeme výrazem, že akumulátor 'vaří'). Kromě toho se může část vody z nedokonale utěsněného akumulátoru i vypařovat.

Kromě elektrod jsou uvnitř akumulátoru ještě oddělovače elektrod (separátory) , které zabra- ňují vzniku zkratů mezi elektrodami. Jsou to listy vložené mezi elektrodami, příp. obálky kolem elektrod, které umožňují průchod iontů SO₄, ale zamezují průchod kovovým částicím z jedné elektrody na druhou. Bývají ze speciálně upraveného papíru, většinou však z mikropó- rézniho PVC či polyetylénu nebo ze skelných vláken.

Pro dosažení větší kapacity se používá řady článků v jedné nádobě, kde jsou paralelně spojeny všechny kladné elektrody a všechny záporné elektrody. Zvětší se tím efektivní plocha elektrod, které je kapacita úměrná. Ta bývá řádově od desítek až asi do 1200 Ah.

Kladné elektrody jsou v aktivním stavu pokryty PbO₂ a představují omezující prvek životnosti. Povrch elektrod se zvětšuje vhodnou konstrukcí a procesem formování. Velmi důležitým parametrem je počet nabíjecích cyklů, který akumulátor může absolvovat. U olo- věných akumulátorů s velkým povrchem elektrod ( lamelovým ) je to až 1000 cyklů, což odpovídá při trva1ém dobíjení životnosti l5 - 20 let, u akumu1átorů s mřížkovými elektrodami ( např. u automobilových akumulátorů ) je to 300 - 700 cyklů, resp. 3 - 6 let.

5.2.2 Alkalické akumulátory

Pro tuto skupinu je společné použití louhu draselného ( KOH ) jakožto elektrolytu. Elektrody přitom mohou být velmi různé. Nejběžnější kombinací jsou Ni-Cd, Ni-Fe a Ag-Zn. Kladná niklová elektroda je v nabitém stavu pokryta oxidem niklitým, ve vybitém hydroxidem nikelnatým. Ve stříbro-zinkovém systému dochází na kladné stříbrné elektrodě při vybíjení k redukci oxidu stříbra na kovové stříbro

Zn + Ag₂O - 2 Ag + ZnO

Na záporné elektrodě probíhá oxidace zinku, při které se uvolňují elektrony

Zn + 2 OH ^- - ZnO + H₂O + 2 e ^-

Při nabíjení mají reakce opačný směr.

Akumulátory se stříbrem mohou mít minimální rozměry a hmotnost, jejich nevýhodou je vysoká cena stříbra. Materiál záporné elektrody kadmiové je hůře dostupný a ekologicky závadný. Proto se místo něho užívá elektroda železná, s níž se však dosahuje nižší účinnosti nabíjecího procesu. Zinkové elektrody mají dobré elektrochemické vlastnosti, ale poměrně nízkou životnost.

Jmenovité napětí Ni-Cd akumu1átorů je 1,2 V na č1ánek, konečné nabíjecí napětí 1,65 -1,85 V na článek a konečné vybíjecí napětí 0,85 -1,2 V na článek. Články ( akumulátory ) Ni-Cd mohou mít podle své konstrukce a rozměrů různé kapacity a jmenovité proudy. Tak např. knoflíkové články mají kapacitu řádově desítky mAh a jmenovité proudy v mA, monočlánky mají kapacity 1,4 - 4 Ah a proudy 180 - 400 mA. Životnost silně závisí na způsobu použití.
V režimu stálého dobíjení poměrně malým proudem je životnost až 5 let při poklesu jmenovité kapacity na 60 %. Při cyklickém provozu vydrží články - podle typu - 300 až 500 cyklů při poklesu jmenovité kapacity na 80 %.

Některé další akumulátory

Z dalších akumulátorů se zmíníme o třech, které jsou považovány za perspektivní pro použití v elektromobilech, i když současný stav jejich vývoje ještě skýtá řadu prob1émů.

a) Systém nikl -zinek s alkalickým elektrolytem. Má ze všech analogických systémů nejvyšší teoretické vybíjecí napětí -1,74 V. Teoretická měrná energie je 373 Wh/kg, prakticky však z ní lze využít asi 25 %. Prob1émy jsou s korozí elektrod, jejich tvarovými změnami a nalezením vhodných separátorů.

b) Systém nikl - vodík. Vodíková elektroda má niklový základ s platinovým katalyzátorem. Alkalickým elektrolytem je nasycena matrice, která je např. z azbestu. Proudotvorná reakce má tvar

Při provozu kolísá tlak vodíku v širokých mezích. Kyslík uvolňovaný na kladné elektrodě se slučuje s vodíkem na vodu. Kapacita se pohybuje mezi 10 a 60 Ah a systém vydrží až 10 000 nabíjecích cyklů. Prakticky byl použit např. ve spojových družicích.

c) Systém nikl - kovový hydrid je vlastně modifikací článku nikl - vodík s alkalickým elektrolytem. Speciální vícesložkové slitiny ( označené Me ) mohou při nabíjení článku absorbovat velké množství vodíku tím, že vytvářejí hydridy ( MeH ). Slouží jako záporné elektrody. Niklová elektroda bývá sintrovaná.
Výsledné reakce mají tvar

Jmenovité napětí je 1,2 V. Systém je odolný jak proti přebíjení, tak proti převybíjení. Má vysoké parametry, výkon 160 až 230 W/kg a energii 75 - 80 Wh/kg.

Celková kapacita jsou jednotky až desítky Ah. Malé akumu1átory tohoto typu se široce využívají ve spotřební elektronice. Velké byly úspěšně vyzkoušeny v elektromobilech.

d) Systém sodík - síra je příkladem systému vysokoteplotního ( 300 C ), kde oba reaktanty jsou v kapalném stavu a elektrolyt je pevná keramická látka beta - alumina ( Al₂O₃ )
jenž vykazuje při pracovní teplotě iontovou vodivost. Probíhají reakce:

Standardní článek tohoto typu má napětí 2,08 V, kapacitu 40 Ah, přípustný trvalý vybíjecí proud 40 A. Baterie složené z většího počtu článků (120 nebo 240) s rozměry 730 x 312 x 315 mm resp. 730 x 540 x 315 mm, mají obsah energie 9,6 resp. 19,2 kWh, hmotnost 103 resp. 175 kg a kapacitu 160 až 400 Ah. Životnost při stálé pracovní teplotě dosahuje až 1500 cyklů. Životnost vzhledem k tepelným cyklům (ohřátí - ochlazení – ohřátí) je malá, pouze asi 30 cyklů.

e) Systém lithium - sulfid železa. Lithium je ve slitině a Al. Teoretické měrné energie jsou několikanásobně vyšší než u klasických akumulátorů: pro systém Li-Al - FeS je to 450 Wh/kg, u Li-Al - FeS₂ 490 až 650 Wh/kg. Pracovní teplota je zhruba 450 C, elektrolytem jsou roztavené soli (LiCl - KCl, LiCl - LiBr - KBr), separátory jsou z nitridu bóru nebo z MgO. Tyto články mají vysoké účinnosti a mohou poskytovat vysoké proudové hustoty. Napětí jednotlivých článků je 2,05 V nebo 1,6 V (podle použití katody), životnost se blíží 1000 cyklů, tj. při běžném provozu asi 10 rokům. V jejich konstrukci nastal v nedávné minulosti zásadní obrat. Naměřená měrná energie je až 180 Wh/kg. Nyní jsou testovány v elektromobilech a počítá se s jejich širším využitím pro tento účel.

Elektrochemické palivové články

Tyto články též poskytují elektrický proud vznikající na základě chemické reakce, ale na roz-  díl od dříve uvedených systémů se do nich reaktanty trvale přivádějí a zplodiny reakce se mu- sí odvádět. Pracují při různých teplotách, s různými elektrodami (plynnými nebo kapalnými) a různými elektrolyty (zásaditými nebo kyselými) a pro jejich funkci je nutná přítomnost vhod- ného katalyzátoru. U nejběžnějšího článku je výsledkem reakce voda, která buď zřeďuje elektrolyt nebo se při vyšší teplotě vypařuje.
Jako 'palivo'(tj. látky, které se oxidují, 'spalují') přicházejí v těchto článcích v úvahu plyny vodík, formaldehyd, amoniak, oxid uhelnatý, metan. Z kapalin jsou to např. metanol, etanol, hydrazin, kapalné uhlovodíky, kyselina mravenčí a sodíkový amalgam. Nejvhodnějším palivem je vodík. Oxidačním činidlem je většinou kyslík, a to bud čistý nebo jako součást vzduchu.

Důležitý rozdíl od primárních i sekundárních článků spočívá v tom, že elektrody, které jsou porézní, kovové nebo uhlíkové, jsou v podstatě stálé a reakce na nich probíhají za pomoci katalyzátorů, které jsou do elektrod zabudovány a urychlují reakce, ale nespotřebovávají se při nich ( což je obecnou vlastností katalyzátorů ). Univerzálním katalyzátorem je platina, která je však velmi drahá a bývá proto nahrazována jinými kovy ze skupiny kovů platině příbuzných - stříbrem, niklem, nebo aktivním uhlím atd. Elektrolyty se liší podle teplotního režimu článků. U nízkoteplotních a středněteplotních to bývají vodní roztoky KOH (alkalický elektrolyt), H₂SO₄ nebo kyseliny fosforečné ( kyselý elektrolyt ).
U vysokoteplotních článků (600 C) jsou to taveniny uhličitanů nebo pevné keramické látky na bázi ZrO₂.

Tyto články poskytují napětí pouze kolem 1 V, takže se podobně jako galvanické články sestavují do baterií. Jejich provoz vyžaduje řadu pomocných systémů - pro přívod reagujících látek a odvod zplodin, pro regulaci teploty atd. Vlastní elektrochemický generátor musí být doplněn zásobníkem paliva, příp. i okysličovadla. Schematické znázornění baterie palivových článků kyslík - vodík je na obr. 1.

V takových článcích, např. s elektrolytem KOH a elektrodami niklovými nebo uhlíkovými, vybavenými katalyzátorem, probíhají na elektrodách reakce:

na záporné ( oxidace )  H₂ + 2 OH ^- 2 H₂O + 2 e ^-

na kladné ( redukce ) 1/2 O₂+ H₂O + 2 e ^- 2 OH^-

Celková reakce je H₂ + 1/2 O₂ H₂O

Je-li v tomto případě používán jako oxidační činidlo vzduch, musí být dokonale zbaven CO₂. To není nutné u článků s elektrolytem kyselým, kde probíhají reakce:

H₂ 2 H⁺ + 2 e^-

1/2 O₂ + 2 H⁺ + 2 e^- H₂O

Výsledným produktem je opět voda

obr.l. Schéma baterie kyslíko-vodíkových palivových článků s plynovými difuzními elektrodami. 1- anoda, 2- elektrolyt, 3- katoda.

Perspektivními typy palivových článků jsou kyslíko-vodíkové články, v nichž je místo běžného elektrolytu použita polymerová membrána fungující jako iontový měnič.
Byly testovány mimo jiné i v elektromobilech.

Pro vysoké výkony a trvalý provoz přicházejí v úvahu vysokoteplotní články, pracující při teplotách 600 - 1000^oC, při kterých probíhají chemické procesy mnohem rychleji. Jejich elektrické parametry jsou tudíž velmi dobré. Jsou to např. články s niklovými elektrodami a roztavenými uhličitany jakožto elektrolytem nebo celokeramické články s tuhým keramickým elektrolytem ZrO₂.

Při použití jiných paliv než vodíku mohou vznikat kromě vody ještě i některé vedlejší zplodiny, ale jejich množství je daleko menší než při běžném spalování těchto paliv ( např. oproti spalovacímu motoru jsou emise NO_x téměř 20krát menší, CO téměř 50krát a emise uhlovodíků 750krát ). Palivové články jsou tedy velmi výhodné z ekologického hlediska. Jejich zavedeni je zatím poměrně drahé, ale ve vyspělých státech je jim věnována velká pozornost a finanční podpora. Podle údajů Evropské Unie z r. 1995 se do r. 2005 počítá až s padesátinásobným snížením jejich ceny. Jsou jedním z velmi perspektivních zdrojů elektrické energie, zejména ve spojitosti s koncepcí tzv. 'vodíkového hospodářství', tj. s výrobou vodíku elektrolýzou vody pomocí sluneční energie a jeho případným rozvodem pomocí potrubí pro využití na vzdáleném místě (o tom viz např. též (4)). Vznikající 'odpad' - vodu, je možné znovu rozložit na vodík a kyslík.

Renomované firmy v USA, Kanadě, Japonsku, Německu, Holandsku apod. již průmyslově vyrábějí několik typů palivových článků. Existují zařízení s výkonem řádově až stovky kW, v demonstračních projektech jsou dokonce větší než 100 KW (zejména u vysokoteplotních systémů s pevným oxidovým elektrolytem - tzv. SOFC - Solid Oxide Fuel Cell). Nejvyšší dosažená životnost je asi 15 000 hodin, ale počítá se s jejím zvýšením až na cca. 40 000 hodin. Důležité jsou aplikace v transportních zařízeních, při decentralizovaném zásobování elektřinou v domácnostech, hotelech, nemocnicích, úřadech, v průmyslu a při kosmických letech. Počítá se i s nasazením v centralizovaném zásobování elektřinou, tj. ve velkých průmyslových elektrárnách. (5)

6. Využití elektromagnetické indukce

Spotřeba elektrické energie na zemi za posledních 100 let enormně stoupla. Nyní je asi 12 terawattroků ročně ( Předpona tera = T = 10¹², 1 TWrok = 10¹²W . 8760 h ). Tento růst spotřeby byl umožněn tím, že byl během 19. století objeven nový, velmi účinný způsob výroby elektřiny. Je založen na známém Faradayově indukčním zákoně, který říká, že nachází-li se uzavřený vodič v oblasti, v níž se mění magnetická indukce, vzniká v něm indukovaný proud. Přesněji řečeno napětí - indukované elektromotorické napětí-vzniká, mění-li se magnetický indukční tok (součin magnetické indukce B a plochy S, F = B.S ) procházející vodičem. V důsledku tohoto napětí vzniká v uzavřeném proudovodiči proud.

To se může realizovat různým způsobem, např. nepohybující se vodič má stálý tvar a mění se magnetická indukce, nebo magnetická indukce je stálá a mění se plocha vodiče, nebo se vodič pohybuje v oblasti magnetické indukce tak, že se v čase mění počet indukčních čar, které protínají plochu jím ohraničenou. To je případ uvedený na kazetě, kdy se cívka o určité ploše a určitém počtu závitů periodicky otáčí v homogenním magnetickém poli, takže její efektivní plocha protínaná magnetickými siločarami se s časem mění. Podle toho, který okamžik volíme za nulový, používáme pro popis této časové změny funkci sinus nebo kosinus. Jestliže pro t = 0 je S = S_o, kde S_o je celková plocha cívky (tj. plocha jednoho závitu x počet závitů) a tudíž F F_o , rovina cívky je kolmá k siločarám, pak v čase t je S = S_o cos . t, kde w je úhlová frekvence otáčení. Stejně se tedy mění indukční tok cívkou procházející.
Protože indukované napětí je úměrné záporně vzaté časové změně tohoto toku,(U = -dF/dt, vznikající efekt působí proti změně, která ho vyvolala), je závislost i tohoto napětí na čase vyjádřena harmonickou funkcí, U = U_o sinwt. U_o je maximální napětí (amplituda napětí), doba kmitu T je dána vztahem wT p, a jeho frekvence f = l/T = w p

Protože však záleží pouze na relativním pohybu cívky a magnetu, lze uspořádání obrátit tak, že cívka (příp. soustava cívek) stojí a otáčí se magnet. Nemusí to přitom být permanentní magnet, nýbrž to může být i elektromagnet, jehož magnetické pole je vytvářeno průchodem
proudu (budicího) v jeho vinutí. Poslední případ je důležitý pro praktické systémy užívané při výrobě elektrické energie.

Proud vyvolaný v cívce indukovaným napětím obecně nemá stejnou fázi jako toto napětí, to znamená, že sinusovky znázorňující časový průběh proudu a napětí mohou být vůči sobě posunuty. To je důsledek toho, že se při průchodu střídavého proudu cívkou (a připojenou zátěží) projeví kromě ohmického odporu R i indukční reaktance spojená s vlastní indukčností obvodu L a použitou úhlovou frekvencí w (rovná se w L), která způsobí, že se proud zpožďuje za napětím. Čistá samoindukčnost L způsobuje zpoždění o p/2, při její kombinaci s b záleží na jejich vzájemném poměru a zpoždění může ležet mezi 0 (pro čistě ohmický odpor) a p/2. Je-li úhel mezi oběma veličinami j, je výkon střídavého proudu dán součinem tzv. efektivních hodnot proudu a napětí, které souvisejí s maximálními hodnotami vztahy
U_ef = U_o / a I_ef = I_o / a kosinem tohoto úhlu (účiníkem)

P = U_ef I_ef cos j

Pokud jsou proud a napětí posunuty vzájemně o p/2, je výsledný výkon nulový. V obecném případě je výkon menší než ten maximální možný, který by nastal v případě, že by proud a napětí byly ve fázi

j = O, cosj

Jsou-li na obvodu kruhu, kolem jehož středu se otáčí magnet, umístěny tři cívky tak, že jsou vzájemně posunuty o 120 , a zvolíme-li jednu z cívek za základní (tj. s fází = 0), pak ve druhé vznikne napětí posunuté proti prvnímu ve fázi o 120 a ve třetí o 240 . Jejich průběh je na snímku znázorněn. Mluvíme o trojfázové soustavě proudů (zkráceně o třífázovém proudu). Takovýto proud je přenášen rozvodnými sítěmi. Rozvod ke spotřebitelům je uspořádán tak, že v zapojení se společným středním (nulovým) vodičem, tj. v tzv. zapojení do hvězdy, je zde mezi středním vodičem a každým fázovým vodičem napětí 220 V, mezi fázemi navzájem pak napětí 380 V. Generátory ve velkých elektrárnách, roztáčené turbínami, mohou mít výkony řádově až 1000 MW a poskytují většinou napětí řádově desítky kV (např. 27 kV).

Pro přenos energie z elektrárny ke spotřebitelům by toto napětí nebylo výhodné.
Ztráty ve vedení totiž klesají s rostoucím napětím, proto se napětí transformuje pomocí transformátorů na ještě větší hodnoty. U dálkových vedení je to obyčejně 220 nebo 400 kV. Toto napětí se v místních rozvodnách transformuje zpět na desítky kV a před dodáním spotřebiteli pak menšími transformátory na běžné napětí 220/380V.

Ukázalo se, že v určitých ohledech vykazuje přednosti přenos stejnosměrným proudem (též při vysokém napětí). Existují tedy též linky vysokého napětí stejnosměrného (např. 400 kV). Stejnosměrný proud lze získat přímo z generátoru (dynama) pomocí speciálního uspořádání kartáčků snímajících napětí z konců cívek, tzv. komutátoru (do určitého kartáčku se snímá napětí vždy téhož směru). Výsledkem je pulzující napětí, kde při vhodném uspořádání tvoří kolísání pouze několik málo procent celkové hodnoty. Kromě toho lze použít též usměrnění napětí střídavého.

Otázky:

1) Na jakém principu pracuje transformátor?

2) Jak se provádí usměrnění střídavého proudu?

3) Vedení v domácnostech jsou dimenzována pro určitý maximální odběr proudu. Jaký je
princip pojistek, které vedení chrání před přetížením? Co by se mohlo stát, kdyby pojistky
nefungovaly?

4) Při dotyku vedení 220 V může dojít ke smrtelnému úrazu. Nedojde k tomu však vždy.
Na čem to závisí?

5) Projíždíte-li autem pod linkou vysokého napětí a máte zapojen radiopřijímač, zaregistrujete
poruchy. Co je způsobuje?

Elektrárny

V odstavci 4 jsme uvedli, že elektrickou energii získáváme postupnými přeměnami z jiných druhů energie. To se děje v elektrárnách, které podle druhu primárního zdroje, který využívají, dělíme na:

tepelné (se spalováním kamenného nebo hnědého uhlí, topných olejů - ropy, zemního plynu, odpadů, biomasy),
vodní - hydroelektrárny (průtokové, přečerpávací),
jaderné (s různými typy jaderných reaktorů a jaderných palivových článků a různými druhy chladiva, které odnáší z nitra reaktoru tepelnou energii),
větrné (s rotory s různým výkonem, dnes řádově až do MW),
sluneční (využívající buď tepelné účinky slunečního záření koncentrovaného zrcadly k výrobě páry nebo sluneční záření k přímé přeměně jeho energie na energii elektrickou pomocí fotovoltaického jevu)(4)
přílivové (využívající energii vody při přílivu a odlivu, tj. slapové jevy) ,
geotermální (využívající teplo z hloubky zemské kůry)

Snahou je dosáhnout co nejvyšší účinnosti a tedy co nejlepšího využití energie primárních zdrojů. To závisí na účinnosti všech jednotlivých použitých kroků. Proto je jim nyní věnována velká pozornost techniků. Při ohromné spotřebě energie může i malé zlepšení účinnosti znamenat její velké úspory. U tepelných elektráren se v poslední době stále více prosazuje tzv. koprodukce tepla a elektřiny, tj. využití “odpadního“ tepla (dále nevyužitelného k výrobě elektřiny) k zásobování závodů a měst teplou vodou a teplem pomocí teplovodných sítí.
Tento způsob se již široce využívá nejen u velkých elektráren, ale i u menších místních.
Dalším důležitým perspektivním směrem je využití elektrochemických palivových článků k přímé přeměně chemické energie paliva na energii elektrickou, o němž jsme se zmínili již v odst. 5.3.
Důležitým aspektem, kterým se zabývají národní i mezinárodní organizace, a jemuž věnova- ná řada konferencí a pracovních setkání, je omezení emisí škodlivých plynů, zejména pak plynů přispívajících k tzv. “skleníkovému jevu“, tj. vlivu na klima planety spojenému s růs- tem obsahu zejména oxidu uhličitého v atmosféře. K němu přispívají především všechny metody založené na spalování.

Otázky: 1) Popište podrobně přeměny jednotlivých druhů energie při získávání elektřiny pomocí:
a) spalování zemního plynu
b) jaderné energie
c) vodních elektráren
d) větrných elektráren
e) elektráren využívajících přiliv a odliv.
2) Víte, jaká je podstata 'skleníkového jevu'?

Závěr

Tento text se snaží poněkud rozšířit a upřesnit skutečnosti a vztahy uvedené na videokazetě. Všímá si přitom především těch oblastí, kde došlo v poslední době ke značnému pokroku, a kde lze očekávat v blízké budoucnosti další zdokonalení. Neprobírá systematicky elektrické jevy, snaží se spíše vzbudit zájem a motivovat diváky, aby si sami zopakovali ze školního vyučování ty věci, které se určitě učili a možná je trochu pozapomněli, a které jsou pro hlubší pochopení textu nezbytné( částečně je to naznačeno i uvedenými otázkami ). Chceme též poukázat na některá obecná hlediska, která by měla být respektována při využívání elektrické energie.

Odkazy

(1) Budiž světlo, videokazeta edice 'Cesty k vědění' č. 2, 1994
(2) Zviditelnění atomů - tunelová mikroskopie, videokazeta edice 'Cesty k vědění' č. 3, 1995

(3) M.Cenek, V. Hodinář, J. Jindra, J. Kozumplík, A. Svoboda:
Akumulátory a baterie, Strom, Praha, 1996

(4) Získávání sluneční energie, videokazeta ČEZ, ( Cesty k vědění č. 4), 1996

(5) H.J. Wagner, S. König: Elektrizitätswirtschaft 96 (1997 ), 4. 1-2, 8. 15 - 22

(6) V.S. Bogockij, A. M. Skundia: Elektrochemické zdroje proudu, SNTL, Praha. 1987

Poděkování

Děkuji Dr. J.Jindrovi. CSc. za poskytnutí cenných informací a za povolení reprodukce
obrázku 1.

Obsah

1. Úvod  2
2. Statická elektřina. Elektrické náboje 4
3. Elektrický proud 7
4. Elektrická energie a principy jejího získávání 11
5. Elektrochemické zdroje elektrické energie 13
5.1 Galvanické články ( primární ) 16
5.2 Sekundární články - akumulátory 17
5.2.1 Olověný akumulátor 18
5.2.2 Alkalické akumulátory 19
5.2.3 Některé další akumulátory 20
5.3 Elektrochemické palivové články 22

6. Využití elektromagnetické indukce  26
7. Elektrárny 29
8. Závěr 30

Odkazy  31

a 1997 Ludmila Eckertová