А что из себя представляют автомобильный генератор и аккумулятор? Это Источники напряжения и электрического тока. Источники электрического тока и напряжения бывают химическими, электромагнитными, полупроводниковыми, пьезоэлектрическими, термоэлектрическими и электростатическими.
Пьезоэлектрические источники напряжения выдают большие напряжения, но низкую силу тока и используются в зажигалках для зажигания газа. Термоэлектрические источники представляют собой термопары, которые при воздействии высокой температуры выдают небольшие напряжения и токи. Их используют в качестве датчиков температур (в большинстве случаев высоких), но в середине двадцатого века изготавливались термоэлектрические генераторы, состоящие из множества термопар. Такие устройства надевались на керосиновую лампу и под действием её тепла вырабатывалась электрическая энергия. Мощность такого термоэлектрического генератора была небольшой и хватало на питание радиоприёмника или переносной радиостанции. Электростатические источники выдают высокие напряжения, но маленькие токи. Химические, электромагнитные и полупроводниковые источники электроэнергии вырабатывают пригодные для использования в быту и промышленности напряжения и токи, а их мощности хватает для питания используемых человечеством устройств. Поэтому они самые распространённые и про них пойдёт речь в этой статье.

К химическим источникам (ХИТ) относятся аккумуляторы, гальванические элементы и электрохимические генераторы. В таких источниках энергия протекающих в них химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию. Из гальванических элементов зачастую собирают батареи (путём их последовательного соединения), а одиночные элементы в народе называют "батарейками".

Основу химических источников тока составляют два электрода (отрицательно заряженный катод, содержащий окислитель, и положительно заряженный анод, содержащий восстановитель) контактирующие с электролитом. Принцип действия ХИТ основан на том, что если два специальных электрода погрузить в раствор электролита, то между электродами устанавливается разность потенциалов ( электрическое напряжение, измеряемое в вольтах). Оно представляет из себя электродвижущую силу, соответствующую свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Отрицательно заряженный электрод, содержащий окислитель, называется катодом. Положительно заряженный электрод, содержащий восстановитель, называется анодом. При подключении нагрузки по цепи вне источника тока и внутри него начинает протекать разрядный ток по замкнутой цепи. На аноде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят по внешней цепи к катоду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя. Поток отрицательно заряженных электронов по внешней цепи идет от анода к катоду, то есть от отрицательного полюса химического источника тока к положительному. Это соответствует протеканию электрического тока в направлении от положительного полюса к отрицательному, так как за техническое направление электрического ток принято направлением движения положительных зарядов в проводнике.

Химические источники тока условно разделены на две группы: первичные и вторичные. Первичными химическими источниками тока являются гальванические элементы и собранные из них батареи, которые нельзя потом перезарядить. Вторичными химическими источниками тока, или электрическими аккумуляторами, называются такие ХИТ, работоспособность которых после разряда может быть восстановлена путем их зарядки. Она проводится путем пропускания постоянного электрического тока через аккумулятор в направлении, противоположном тому, в котором протекал ток при разряде. Деление элементов на гальванические элементы и аккумуляторы до некоторой степени условное, так как некоторые гальванические элементы, например щелочные, поддаются подзарядке, но эффективность этого процесса крайне мала. Один гальванический элемент или элемент аккумулятора выдают небольшие напряжения, поэтому из них часто делают батареи.

Из полупроводниковых источников электроэнергии, в основном используются солнечные батареи. Сейчас они набирают популярность.

Электромеханическими индукционными источниками электроэнергии являются электромеханические генераторы. Например автомобильный генератор, генератор на электростанции, ветрогенератор, дизельный или бензиновый генератор. В 1833 году русский учёный Эмилий Христианович Ленц указал на обратимость электрических машин: при определённых условиях, одна и та же машина может работать как электродвигатель, если её питать определённым током, и может служить генератором электрического тока, если её ротор привести во вращение каким-либо двигателем. В 1838 году Ленц был одним из членов комиссии по испытанию электрического двигателя Бориса Семёновича Якоби и на опыте доказал обратимость электрической машины. Только автомобильный генератор не будет вращаться, если к его выводу "+" и "массе" подать напряжение 12 В из - за особенности его электрической схемы. Об этом и как заставить его работать в режиме электродвигателя будет описано далее.

Их принцип действия основан на электромагнитной индукции — явление возникновения электрического тока, электрического поля или электрической поляризации при изменении магнитного поля. Проще говоря, если взять катушку с электрическим проводом и поместить её в переменное магнитное поле, то между её выводами образуется переменное электрическое напряжение. Наиболее доступный и практичный способ получения такого переменного магнитного поля - это вращения постоянного магнита около катушки или наоборот. Магнит может быть обычным или электрическим. По такому принципу работают электромеханические генераторы. Они состоят из двух основных частей: статора и ротора. Статор - это неподвижная часть, а ротор вращающаяся. Такие электрические машины бывают постоянного или переменного тока, однофазными или многофазными (в основном трёхфазными), синхронными или асинхронными.

Рассмотрим устройство электромеханического генератора переменного тока на примере современного автомобильного генератора. Он представляет из себя синхронную трёхфазную электрическую машину переменного тока с электромагнитным возбуждением. Главное его отличие от аналогичных генераторов переменного тока, что в нём встроен выпрямитель (трёхфазный диодный мост, преобразующий переменный ток в пульсирующий постоянный) и регулятор напряжения. В некоторых моделях этот регулятор может быть вынесен отдельным блоком.

Современный автомобильный генератор состоит из статора, ротора, диодного моста, регулятора напряжения и корпуса в котором всё это располагается. Его статор представляет из себя магнитопровод, состоящий из набора изолированных стальных пластин, а не из целого куска металла. Так сделано для того чтобы в нём не образовывались индукционные токи. В магнитопроводе во внутренней части кольца расположены пазы в которые намотаны 3 обмотки, каждая из которых расположена под углом 120 градусов. В этих обмотках при вращении ротора возникает переменное электрическое напряжение, а при таком расположении и количестве обмоток оно получается трёхфазным, как в электрических сетях страны, с той лишь разницей, что в этом генераторе непостоянна частота тока (в зависимости от оборотов двигателя) и низкое напряжение.

Выводы обмоток статора подключаются к трёхфазному диодному мосту (выпрямителю), который преобразует переменный трёхфазный ток в пульсирующий постоянный. Из-за этого непостоянная частота тока в нём не имеет значения, т.к. постоянный ток не имеет частоты. Единственная проблема, что остаётся слабая пульсация напряжения, которая может создавать помехи, но это сглаживается фильтрами.

Ротор автомобильного генератора представляет собой установленный на валу электромагнит. На вал надеты подшипники, которые вставляются в корпус генератора, а с одной стороны вала установлен шкив ременной передачи. Электрический ток подаётся в ротор при помощи щеток и контактных колец. Выводы обмоток электромагнита соединены с контактными кольцами. В электромагните есть небольшая намагниченность, поэтому без подачи в него тока он работает как слабый магнит. Благодаря этому генератор может работать без подачи на него электроэнергии от внешнего источника в так называемом режиме самовозбуждения.

Во многих современных автомобильных генераторах щётки встроены в электронный регулятор напряжения, который в свою очередь встраивается в корпус генератора. В некоторых генераторах он вынесен отдельным блоком. Регулятор изменяет ток через ротор и таким образом стабилизирует напряжение на выводах генератора. Для того, чтобы запустить автомобильный генератор в режиме электродвигателя, нужно пропустить через ротор постоянный ток (подать на щетки), а на обмотки статора подать трёхфазное переменное напряжение соответствующего вольтажа (12 или 24 вольта).

Генераторы на электростанциях или автономные дизельные/ бензиновые/ газовые генераторы имеют аналогичную конструкцию и тоже представляет из себя синхронную трёхфазныую или однофазную электрическую машину переменного тока с электромагнитным возбуждением. Только внутри них нет выпрямителя и они оснащаются более сложной автоматикой, которая, как правило, вынесена отдельными блоками вне электрической машины. В автономных генераторах эта автоматика находится в. В эту автоматику входит и регулятор напряжения. Эти электрические машины вырабатывают трёхфазный (на электростанциях) или однофазный (в однофазных автономных генераторах) переменный ток частотой 50 герц (в некоторых странах 60 герц), поэтому в системах автоматики есть устройства, которые поддерживают определённую частоту вращения ротора для поддержания постоянной частоты тока.

Еще существуют коллекторные генераторы постоянного тока, которые называются динамо машинами и в настоящее время практически не применяются. По своей конструкции они аналогичны коллекторному двигателю постоянного или переменного тока и могут работать в режиме двигателя.

Статор такой электрической машины представляет из себя либо постоянные магниты, либо сердечник особой формы, на который намотаны обмотки электромагнита.

На роторе имеется сердечник, состоящий из изолированных стальных пластин, с продольными пазами в которых намотаны обмотки. Важным элементом этой электрической машины является щёточно-коллекторный узел. Он обеспечивает электрическое соединение обмоток ротора с электрическими цепями, расположенными в неподвижной части машины, так же коммутацию обмоток. Состоит из коллектора (набора контактов, расположенных на роторе) и щёток (скользящих контактов, расположенных на неподвижной части и прижатых к коллектору).

Существуют так же вторичные источники электроэнергии. Эти устройства преобразует электроэнергию основного источника электроснабжения (например, от генератора или из бытовой розетки) в электроэнергию с параметрами, необходимыми для функционирования устройств и других сетей. К ним относятся: трансформаторы и автотрансформаторы переменного напряжения и тока; вибропреобразователи; импульсные преобразователи; стабилизаторы напряжения и тока; выпрямители; инверторы; умформеры (электромашинный преобразователь).

В настоящее время вибропреобразователи и умформеры морально устарели и применяются редко. Умформер, он же мотор-генератор, представляет из себя электродвигатель, вращающий вал электрического генератора. Иногда из делают моноблоком с общим для двигателя и генератора ротором и статором.

Трансформатор - это электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции напряжения переменного тока в другое или несколько других напряжений без изменения частоты. Так же как и электрический генератор переменного тока он имеет обмотки и вырабатывает электроэнергию за счет переменного магнитного поля (электромагнитной индукции), но источником этого поля является его первичная обмотка, которая питается переменным током.

В настоящее время, широко применяются импульсные источники питания, которые вытесняют обычные трансформаторные. Они выдают постоянное напряжение, а питаться могут как переменным так и постоянным током.