Το ηλεκτρικό ρεύμα στον αγωγό προκύπτει υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, αναγκάζοντας τα ελεύθερα φορτισμένα σωματίδια να έρθουν σε κατευθυνόμενη κίνηση. Η δημιουργία ρεύματος σωματιδίων είναι ένα σοβαρό πρόβλημα. Η κατασκευή μιας τέτοιας συσκευής που θα διατηρεί τη διαφορά δυναμικού του πεδίου για μεγάλο χρονικό διάστημα σε μια κατάσταση είναι ένα έργο που η ανθρωπότητα θα μπορούσε να λύσει μόνο μέχρι το τέλος του 18ου αιώνα.
Πρώτες προσπάθειες
Οι πρώτες προσπάθειες «συσσώρευσης ηλεκτρικής ενέργειας» για την περαιτέρω έρευνα και χρήση του έγιναν στην Ολλανδία. Ο Γερμανός Ewald Jurgen von Kleist και ο Ολλανδός Peter van Muschenbrook, που έκαναν την έρευνά τους στην πόλη Leiden, δημιούργησαν τον πρώτο πυκνωτή στον κόσμο, που αργότερα ονομάστηκε "βάζο Leyden".
Η συσσώρευση ηλεκτρικού φορτίου έχει ήδη λάβει χώρα υπό τη δράση της μηχανικής τριβής. Ήταν δυνατή η χρήση μιας εκκένωσης μέσω ενός αγωγού για μια ορισμένη, μάλλον σύντομη, χρονική περίοδο.
Η νίκη του ανθρώπινου νου πάνω σε μια τόσο εφήμερη ουσία όπως ο ηλεκτρισμός αποδείχθηκε επαναστατική.
Δυστυχώς, εκφόρτιση (ηλεκτρικό ρεύμα που παράγεται από έναν πυκνωτή)κράτησε τόσο σύντομη που δεν μπορούσε να δημιουργήσει συνεχές ρεύμα. Επιπλέον, η τάση που παρέχεται από τον πυκνωτή μειώνεται σταδιακά, γεγονός που καθιστά αδύνατη τη λήψη συνεχούς ρεύματος.
Έπρεπε να είχα ψάξει για άλλο τρόπο.
Πρώτη πηγή
Τα πειράματα «ηλεκτρισμού με ζώα» του Ιταλού Galvani ήταν μια πρωτότυπη προσπάθεια να βρεθεί μια φυσική πηγή ρεύματος στη φύση. Κρεμώντας τα πόδια βατράχων σε μεταλλικούς γάντζους ενός σιδερένιου πλέγματος, επέστησε την προσοχή στη χαρακτηριστική αντίδραση των νευρικών απολήξεων.
Ωστόσο, ένας άλλος Ιταλός, ο Alessandro Volta, διέψευσε τα συμπεράσματα του Galvani. Ενδιαφερόμενος για τη δυνατότητα απόκτησης ηλεκτρικής ενέργειας από ζωικούς οργανισμούς, διεξήγαγε μια σειρά πειραμάτων με βατράχους. Αλλά το συμπέρασμά του αποδείχθηκε ότι ήταν το εντελώς αντίθετο από τις προηγούμενες υποθέσεις.
Ο Η Volta επέστησε την προσοχή στο γεγονός ότι ένας ζωντανός οργανισμός είναι μόνο ένας δείκτης ηλεκτρικής εκκένωσης. Όταν περνάει το ρεύμα, οι μύες των ποδιών συστέλλονται, υποδεικνύοντας μια διαφορά δυναμικού. Η πηγή του ηλεκτρικού πεδίου ήταν η επαφή ανόμοιων μετάλλων. Όσο πιο μακριά βρίσκονται μεταξύ τους σε μια σειρά από χημικά στοιχεία, τόσο μεγαλύτερο είναι το αποτέλεσμα.
Πλάκες από ανόμοια μέταλλα, στρωμένα με χάρτινους δίσκους εμποτισμένους σε διάλυμα ηλεκτρολύτη, δημιούργησαν την απαραίτητη διαφορά δυναμικού για μεγάλο χρονικό διάστημα. Και ας είναι χαμηλό (1,1 V), αλλά το ηλεκτρικό ρεύμα θα μπορούσε να διερευνηθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα. Το κύριο πράγμα είναι ότι η τάση παρέμεινε αμετάβλητη για το ίδιο διάστημα.
Τι συμβαίνει
Γιατί οι πηγές που ονομάζονται "γαλβανικά κύτταρα" προκαλούν ένα τέτοιο αποτέλεσμα;
Δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια τοποθετημένα σε ένα διηλεκτρικό παίζουν διαφορετικούς ρόλους. Ο ένας παρέχει ηλεκτρόνια, ο άλλος τα δέχεται. Η διαδικασία αντίδρασης οξειδοαναγωγής οδηγεί στην εμφάνιση περίσσειας ηλεκτρονίων σε ένα ηλεκτρόδιο, που ονομάζεται αρνητικός πόλος, και ανεπάρκεια στο δεύτερο, θα το ονομάσουμε ως θετικό πόλο της πηγής.
Στα απλούστερα γαλβανικά κύτταρα, οι οξειδωτικές αντιδράσεις συμβαίνουν στο ένα ηλεκτρόδιο και οι αντιδράσεις αναγωγής στο άλλο. Τα ηλεκτρόνια έρχονται στα ηλεκτρόδια από το εξωτερικό του κυκλώματος. Ο ηλεκτρολύτης είναι ο αγωγός ρεύματος των ιόντων μέσα στην πηγή. Η δύναμη της αντίστασης διέπει τη διάρκεια της διαδικασίας.
Στοιχείο χαλκού-ψευδάργυρου
Η αρχή της λειτουργίας των γαλβανικών στοιχείων είναι ενδιαφέρον να εξεταστεί χρησιμοποιώντας το παράδειγμα ενός γαλβανικού στοιχείου χαλκού-ψευδάργυρου, η δράση του οποίου οφείλεται στην ενέργεια του ψευδαργύρου και του θειικού χαλκού. Σε αυτή την πηγή, μια πλάκα χαλκού τοποθετείται σε διάλυμα θειικού χαλκού και ένα ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου βυθίζεται σε διάλυμα θειικού ψευδαργύρου. Τα διαλύματα διαχωρίζονται με ένα πορώδες διαχωριστικό για να αποφευχθεί η ανάμειξη, αλλά πρέπει να έρχονται σε επαφή.
Εάν το κύκλωμα είναι κλειστό, το επιφανειακό στρώμα ψευδαργύρου οξειδώνεται. Στη διαδικασία αλληλεπίδρασης με το υγρό, άτομα ψευδαργύρου, που έχουν μετατραπεί σε ιόντα, εμφανίζονται στο διάλυμα. Τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται στο ηλεκτρόδιο, τα οποία μπορούν να συμμετέχουν στη δημιουργία ρεύματος.
Φτάνοντας στο χάλκινο ηλεκτρόδιο, τα ηλεκτρόνια συμμετέχουν στην αντίδραση αναγωγής. Απόδιάλυμα, τα ιόντα χαλκού εισέρχονται στο επιφανειακό στρώμα, στη διαδικασία της αναγωγής μετατρέπονται σε άτομα χαλκού, εναποθέτοντας στη χάλκινη πλάκα.
Για να συνοψίσουμε τι συμβαίνει: η διαδικασία λειτουργίας ενός γαλβανικού στοιχείου συνοδεύεται από τη μεταφορά ηλεκτρονίων από τον αναγωγικό παράγοντα στον οξειδωτικό παράγοντα κατά μήκος του εξωτερικού τμήματος του κυκλώματος. Οι αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα και στα δύο ηλεκτρόδια. Ένα ρεύμα ιόντων ρέει μέσα στην πηγή.
Δυσκολία χρήσης
Καταρχήν, οποιαδήποτε από τις πιθανές αντιδράσεις οξειδοαναγωγής μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μπαταρίες. Αλλά δεν υπάρχουν τόσες πολλές ουσίες ικανές να δράσουν σε τεχνικά πολύτιμα στοιχεία. Επιπλέον, πολλές αντιδράσεις απαιτούν ακριβές ουσίες.
Οι σύγχρονες μπαταρίες έχουν απλούστερη δομή. Δύο ηλεκτρόδια τοποθετημένα σε έναν ηλεκτρολύτη γεμίζουν το δοχείο - τη θήκη της μπαταρίας. Τέτοια σχεδιαστικά χαρακτηριστικά απλοποιούν τη δομή και μειώνουν το κόστος των μπαταριών.
Οποιοδήποτε γαλβανικό στοιχείο είναι ικανό να παράγει συνεχές ρεύμα.
Η αντίσταση του ρεύματος δεν επιτρέπει σε όλα τα ιόντα να βρίσκονται πάνω στα ηλεκτρόδια ταυτόχρονα, επομένως το στοιχείο λειτουργεί για μεγάλο χρονικό διάστημα. Οι χημικές αντιδράσεις του σχηματισμού ιόντων σταματούν αργά ή γρήγορα, το στοιχείο αποφορτίζεται.
Η εσωτερική αντίσταση μιας πηγής ρεύματος είναι σημαντική.
Λίγα για την αντίσταση
Η χρήση ηλεκτρικού ρεύματος, αναμφίβολα, έφερε την επιστημονική και τεχνολογική πρόοδο σε ένα νέο επίπεδο, του έδωσε μια τεράστια ώθηση. Αλλά η δύναμη της αντίστασης στη ροή του ρεύματος παρεμποδίζει μια τέτοια εξέλιξη.
Αφενός, το ηλεκτρικό ρεύμα έχει ανεκτίμητες ιδιότητες που χρησιμοποιούνται στην καθημερινή ζωή και την τεχνολογία, από την άλλη, υπάρχει σημαντική αντίθεση. Η φυσική, ως επιστήμη της φύσης, προσπαθεί να επιτύχει μια ισορροπία, να φέρει αυτές τις συνθήκες σε συμφωνία.
Η αντίσταση ρεύματος προκύπτει λόγω της αλληλεπίδρασης των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων με την ουσία μέσω της οποίας κινούνται. Είναι αδύνατο να αποκλειστεί αυτή η διαδικασία υπό κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας.
Αντίσταση
Η εσωτερική αντίσταση της πηγής ρεύματος και η αντίσταση του εξωτερικού τμήματος του κυκλώματος είναι ελαφρώς διαφορετικής φύσης, αλλά η ίδια σε αυτές τις διαδικασίες είναι η εργασία που γίνεται για τη μετακίνηση του φορτίου.
Η ίδια η εργασία εξαρτάται μόνο από τις ιδιότητες της πηγής και το περιεχόμενό της: τις ιδιότητες των ηλεκτροδίων και του ηλεκτρολύτη, καθώς και για τα εξωτερικά μέρη του κυκλώματος, η αντίσταση του οποίου εξαρτάται από τις γεωμετρικές παραμέτρους και τη χημική χαρακτηριστικά του υλικού. Για παράδειγμα, η αντίσταση ενός μεταλλικού σύρματος αυξάνεται με την αύξηση του μήκους του και μειώνεται με την επέκταση του εμβαδού της διατομής. Κατά την επίλυση του προβλήματος του τρόπου μείωσης της αντίστασης, η φυσική συνιστά τη χρήση εξειδικευμένων υλικών.
Τρέχουσα εργασίας
Σύμφωνα με το νόμο Joule-Lenz, η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται στους αγωγούς είναι ανάλογη της αντίστασης. Αν ορίσουμε την ποσότητα της θερμότητας ως Qint., την ισχύ του ρεύματος I, το χρόνο ροής του t, τότε παίρνουμε:
Qint=I2 · r t,
όπου r είναι η εσωτερική αντίσταση της πηγήςτρέχον.
Σε ολόκληρο το κύκλωμα, συμπεριλαμβανομένων τόσο των εσωτερικών όσο και των εξωτερικών μερών του, θα απελευθερωθεί η συνολική ποσότητα θερμότητας, ο τύπος της οποίας είναι:
Qfull=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Είναι γνωστό πώς συμβολίζεται η αντίσταση στη φυσική: ένα εξωτερικό κύκλωμα (όλα τα στοιχεία εκτός από την πηγή) έχει αντίσταση R.
Νόμος του Ohm για ένα πλήρες κύκλωμα
Λάβετε υπόψη ότι η κύρια εργασία γίνεται από εξωτερικές δυνάμεις μέσα στην πηγή ρεύματος. Η τιμή του είναι ίση με το γινόμενο του φορτίου που μεταφέρει το πεδίο και την ηλεκτροκινητική δύναμη της πηγής:
q E=I2 (r + R) t.
συνειδητοποιώντας ότι το φορτίο είναι ίσο με το γινόμενο της ισχύος του ρεύματος και του χρόνου ροής του, έχουμε:
E=I (r + R)
Σύμφωνα με τις σχέσεις αιτίου-αποτελέσματος, ο νόμος του Ohm έχει τη μορφή:
I=E: (r + R)
Το ρεύμα σε ένα κλειστό κύκλωμα είναι ευθέως ανάλογο με το EMF της πηγής ρεύματος και αντιστρόφως ανάλογο με τη συνολική (συνολική) αντίσταση του κυκλώματος.
Με βάση αυτό το μοτίβο, είναι δυνατός ο προσδιορισμός της εσωτερικής αντίστασης της τρέχουσας πηγής.
Ικανότητα εκφόρτισης πηγής
Η ικανότητα εκφόρτισης μπορεί επίσης να αποδοθεί στα κύρια χαρακτηριστικά των πηγών. Η μέγιστη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να ληφθεί όταν λειτουργεί υπό ορισμένες συνθήκες εξαρτάται από την ισχύ του ρεύματος εκφόρτισης.
Στην ιδανική περίπτωση, όταν γίνονται ορισμένες προσεγγίσεις, η ικανότητα εκφόρτισης μπορεί να θεωρηθεί σταθερή.
ΚΓια παράδειγμα, μια τυπική μπαταρία με διαφορά δυναμικού 1,5 V έχει χωρητικότητα εκφόρτισης 0,5 Ah. Εάν το ρεύμα εκφόρτισης είναι 100 mA, τότε λειτουργεί για 5 ώρες.
Μέθοδοι φόρτισης μπαταριών
Η εκμετάλλευση των μπαταριών οδηγεί στην αποφόρτισή τους. Η αποκατάσταση των μπαταριών, η φόρτιση μικρών κυψελών πραγματοποιείται με χρήση ρεύματος του οποίου η τιμή ισχύος δεν υπερβαίνει το ένα δέκατο της χωρητικότητας της πηγής.
Οι παρακάτω μέθοδοι χρέωσης είναι διαθέσιμες:
- χρήση σταθερού ρεύματος για καθορισμένο χρόνο (περίπου 16 ώρες ρεύμα 0,1 χωρητικότητα μπαταρίας);
- φόρτιση με ρεύμα υποβάθμισης σε μια προκαθορισμένη τιμή διαφοράς δυναμικού;
- χρήση μη ισορροπημένων ρευμάτων;
- διαδοχική εφαρμογή σύντομων παλμών φόρτισης και εκφόρτισης, στους οποίους ο χρόνος του πρώτου υπερβαίνει τον χρόνο του δεύτερου.
Πρακτική εργασία
Η εργασία προτείνεται: προσδιορισμός της εσωτερικής αντίστασης της πηγής ρεύματος και του EMF.
Για να το εκτελέσετε, πρέπει να εφοδιαστείτε με μια πηγή ρεύματος, ένα αμπερόμετρο, ένα βολτόμετρο, έναν ρυθμιστή ρεοστάτη, ένα κλειδί, ένα σύνολο αγωγών.
Η χρήση του νόμου του Ohm για ένα κλειστό κύκλωμα θα καθορίσει την εσωτερική αντίσταση της πηγής ρεύματος. Για να το κάνετε αυτό, πρέπει να γνωρίζετε το EMF του, την τιμή της αντίστασης του ρεοστάτη.
Ο τύπος υπολογισμού για την αντίσταση ρεύματος στο εξωτερικό τμήμα του κυκλώματος μπορεί να προσδιοριστεί από το νόμο του Ohm για το τμήμα κυκλώματος:
I=U: R,
όπου I είναι η ισχύς ρεύματος στο εξωτερικό τμήμα του κυκλώματος, μετρούμενη με αμπερόμετρο. U - τάση στο εξωτερικόαντίσταση.
Για να βελτιωθεί η ακρίβεια, οι μετρήσεις λαμβάνονται τουλάχιστον 5 φορές. Σε τι χρησιμεύει; Η τάση, η αντίσταση, το ρεύμα (ή μάλλον, η ισχύς ρεύματος) που μετρήθηκαν κατά τη διάρκεια του πειράματος χρησιμοποιούνται παρακάτω.
Για να προσδιορίσουμε το EMF της πηγής ρεύματος, χρησιμοποιούμε το γεγονός ότι η τάση στους ακροδέκτες της με το κλειδί ανοιχτό είναι σχεδόν ίση με το EMF.
Ας συναρμολογήσουμε ένα κύκλωμα από μια μπαταρία, έναν ρεοστάτη, ένα αμπερόμετρο, ένα κλειδί συνδεδεμένο σε σειρά. Συνδέουμε ένα βολτόμετρο στους ακροδέκτες της πηγής ρεύματος. Αφού ανοίξαμε το κλειδί, παίρνουμε τις ενδείξεις του.
Η εσωτερική αντίσταση, ο τύπος της οποίας προκύπτει από το νόμο του Ohm για ένα πλήρες κύκλωμα, προσδιορίζεται με μαθηματικούς υπολογισμούς:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Οι μετρήσεις δείχνουν ότι η εσωτερική αντίσταση είναι πολύ μικρότερη από την εξωτερική.
Η πρακτική λειτουργία των επαναφορτιζόμενων μπαταριών και μπαταριών χρησιμοποιείται ευρέως. Η αδιαμφισβήτητη περιβαλλοντική ασφάλεια των ηλεκτροκινητήρων είναι αναμφισβήτητη, αλλά η δημιουργία μιας ευρύχωρης, εργονομικής μπαταρίας είναι ένα πρόβλημα της σύγχρονης φυσικής. Η λύση του θα οδηγήσει σε έναν νέο γύρο στην ανάπτυξη της τεχνολογίας του αυτοκινήτου.
Μικρές, ελαφριές μπαταρίες υψηλής χωρητικότητας είναι επίσης απαραίτητες σε κινητές ηλεκτρονικές συσκευές. Η ποσότητα ενέργειας που χρησιμοποιείται σε αυτά σχετίζεται άμεσα με την απόδοση των συσκευών.
