Elektros srovė laidininke atsiranda veikiant elektriniam laukui, todėl laisvai įkrautos dalelės pradeda kryptingai judėti. Dalelių srovės sukūrimas yra rimta problema. Sukurti tokį įrenginį, kuris ilgą laiką išlaikytų lauko potencialų skirtumą vienoje būsenoje, yra uždavinys, kurį žmonija galėtų išspręsti tik iki XVIII amžiaus pabaigos.
Pirmieji bandymai
Pirmieji bandymai „akumuliuoti elektrą“tolesniam jos tyrimui ir naudojimui buvo atlikti Olandijoje. Vokietis Ewaldas Jurgenas von Kleistas ir olandas Peteris van Muschenbrookas, kurie savo tyrimus atliko Leideno mieste, sukūrė pirmąjį pasaulyje kondensatorių, vėliau pavadintą „Leyden jar“.
Elektros krūvis jau susikaupė veikiant mechaninei trintis. Iškrovą per laidininką buvo galima naudoti tam tikrą, gana trumpą, laikotarpį.
Žmogaus proto pergalė prieš tokią trumpalaikę medžiagą kaip elektra pasirodė revoliucinga.
Deja, iškrova (kondensatoriaus generuojama elektros srovė)truko taip trumpai, kad negalėjo sukurti nuolatinės srovės. Be to, kondensatoriaus tiekiama įtampa palaipsniui mažinama, todėl neįmanoma gauti nuolatinės srovės.
Turėjau ieškoti kito būdo.
Pirmasis š altinis
Italijos Galvani „gyvūnų elektros“eksperimentai buvo originalus bandymas rasti natūralų srovės š altinį gamtoje. Pakabinęs išpjaustytų varlių kojas ant metalinių geležinių grotelių kabliukų, jis atkreipė dėmesį į būdingą nervų galūnių reakciją.
Tačiau kitas italas Alessandro Volta paneigė Galvani išvadas. Susidomėjęs galimybe iš gyvūnų organizmų gauti elektros energijos, jis atliko keletą eksperimentų su varlėmis. Tačiau jo išvada pasirodė visiškai priešinga ankstesnėms hipotezėms.
Volta atkreipė dėmesį į tai, kad gyvas organizmas yra tik elektros iškrovos indikatorius. Kai praeina srovė, kojų raumenys susitraukia, o tai rodo potencialų skirtumą. Elektrinio lauko š altinis buvo skirtingų metalų kontaktas. Kuo toliau vienas nuo kito yra cheminių elementų serijoje, tuo didesnis poveikis.
Skirtingų metalų plokštės, išklotos elektrolito tirpale suvilgytais popieriniais diskais, ilgam kūrė reikiamą potencialų skirtumą. Ir tegul maža (1,1 V), bet elektros srovę būtų galima tirti ilgai. Svarbiausia, kad įtampa išliko nepakitusi tiek pat laiko.
Kas vyksta
Kodėl š altiniai, vadinami „galvaniniais elementais“, sukelia tokį poveikį?
Du metaliniai elektrodai, patalpinti į dielektriką, atlieka skirtingus vaidmenis. Vienas tiekia elektronus, kitas juos priima. Dėl redokso reakcijos proceso atsiranda elektronų perteklius viename elektrode, kuris vadinamas neigiamu poliumi, o antrame – trūkumas, pažymėsime jį kaip teigiamą š altinio polių.
Paprasčiausiuose galvaniniuose elementuose viename elektrode vyksta oksidacinės reakcijos, o kitame – redukcijos reakcijos. Elektronai patenka į elektrodus iš grandinės išorės. Elektrolitas yra š altinio viduje esančių jonų srovės laidininkas. Atsparumo stiprumas lemia proceso trukmę.
Vario-cinko elementas
Galvaninių elementų veikimo principą įdomu apsvarstyti naudojant vario-cinko galvaninio elemento pavyzdį, kurio veikimą lemia cinko ir vario sulfato energija. Šiame š altinyje vario plokštė dedama į vario sulfato tirpalą, o cinko elektrodas panardinamas į cinko sulfato tirpalą. Tirpalai atskiriami porėtu tarpikliu, kad nesusimaišytų, tačiau turi liestis.
Jei grandinė uždaryta, paviršinis cinko sluoksnis oksiduojamas. Sąveikos su skysčiu procese tirpale atsiranda cinko atomai, pavirtę jonais. Ant elektrodo išsiskiria elektronai, kurie gali dalyvauti generuojant srovę.
Prieinant prie vario elektrodo, elektronai dalyvauja redukcijos reakcijoje. Ištirpale, vario jonai patenka į paviršinį sluoksnį, redukcijos procese virsta vario atomais, nusėda ant vario plokštės.
Apibendrinant, kas vyksta: galvaninio elemento veikimo procesą lydi elektronų perkėlimas iš reduktoriaus į oksidatorių išilgai išorinės grandinės dalies. Reakcijos vyksta ant abiejų elektrodų. Š altinio viduje teka jonų srovė.
Naudojimo sunkumai
Iš esmės baterijose gali būti naudojamos bet kokios galimos redokso reakcijos. Tačiau techniškai vertinguose elementuose nėra tiek daug medžiagų, galinčių veikti. Be to, daugeliui reakcijų reikia brangių medžiagų.
Šiuolaikinės baterijos yra paprastesnės struktūros. Du elektrodai, patalpinti į vieną elektrolitą, užpildo indą – akumuliatoriaus korpusą. Tokios dizaino savybės supaprastina struktūrą ir sumažina baterijų kainą.
Bet kuris galvaninis elementas gali gaminti nuolatinę srovę.
Srovės varža neleidžia visiems jonams vienu metu būti ant elektrodų, todėl elementas veikia ilgai. Cheminės jonų susidarymo reakcijos anksčiau ar vėliau nutrūksta, elementas išsikrauna.
Vidinė srovės š altinio varža yra svarbi.
Šiek tiek apie pasipriešinimą
Elektros srovės naudojimas, be jokios abejonės, pakėlė mokslo ir technologijų pažangą į naują lygį, suteikė jam milžinišką postūmį. Tačiau pasipriešinimo srovės srautui jėga trukdo tokiam vystymuisi.
Viena vertus, elektros srovė turi neįkainojamų savybių, naudojamų kasdieniame gyvenime ir technologijose, kita vertus, yra didelis pasipriešinimas. Fizika, kaip gamtos mokslas, bando rasti pusiausvyrą, suderinti šias aplinkybes.
Srovės pasipriešinimas atsiranda dėl elektriškai įkrautų dalelių sąveikos su medžiaga, per kurią jos juda. Įprastomis temperatūros sąlygomis šio proceso atmesti neįmanoma.
Atsparumas
Vidinė srovės š altinio varža ir išorinės grandinės dalies varža yra šiek tiek kitokio pobūdžio, tačiau šiuose procesuose tas pats yra darbas, atliekamas norint perkelti įkrovą.
Pats darbas priklauso tik nuo š altinio savybių ir jo turinio: elektrodų ir elektrolito savybių, taip pat nuo išorinių grandinės dalių, kurių varža priklauso nuo geometrinių parametrų ir cheminių medžiagų. medžiagos savybės. Pavyzdžiui, metalinės vielos varža didėja didėjant jos ilgiui ir mažėja plečiantis skerspjūvio plotui. Sprendžiant pasipriešinimo mažinimo problemą, fizika rekomenduoja naudoti specializuotas medžiagas.
Darbo srovė
Pagal Džaulio-Lenco dėsnį laiduose išsiskiriančios šilumos kiekis yra proporcingas varžai. Jei šilumos kiekį nurodysime kaip Qint., srovės stiprumą I, jos tekėjimo laiką t, gausime:
Qint=I2 · r t,
kur r yra š altinio vidinė varžadabartinė.
Visoje grandinėje, įskaitant jos vidines ir išorines dalis, bus išleistas bendras šilumos kiekis, kurio formulė yra:
Qpilnas=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Žinoma, kaip varža žymima fizikoje: išorinė grandinė (visi elementai, išskyrus š altinį) turi varžą R.
Omo dėsnis visai grandinei
Atkreipkite dėmesį, kad pagrindinį darbą atlieka išorinės jėgos srovės š altinio viduje. Jo reikšmė lygi lauko atliekamo krūvio ir š altinio elektrovaros jėgos sandaugai:
q E=I2 (r + R) t.
suvokdami, kad krūvis yra lygus srovės stiprumo ir jos tekėjimo laiko sandaugai, turime:
E=I (r + R)
Remiantis priežasties ir pasekmės ryšiu, Omo dėsnis turi tokią formą:
I=E: (r + R)
Srovė uždaroje grandinėje yra tiesiogiai proporcinga srovės š altinio EML ir atvirkščiai proporcinga visai (bendrai) grandinės varžai.
Remiantis šiuo modeliu, galima nustatyti srovės š altinio vidinę varžą.
Š altinio išleidimo talpa
Iškrovimo pajėgumas taip pat gali būti siejamas su pagrindinėmis š altinių charakteristikomis. Didžiausias elektros energijos kiekis, kurį galima gauti dirbant tam tikromis sąlygomis, priklauso nuo iškrovos srovės stiprumo.
Idealiu atveju, kai atliekami tam tikri apytiksliai skaičiavimai, iškrovos talpa gali būti laikoma pastovia.
KPavyzdžiui, standartinio akumuliatoriaus, kurio potencialų skirtumas yra 1,5 V, iškrovimo talpa yra 0,5 Ah. Jei iškrovos srovė yra 100 mA, ji veikia 5 valandas.
Akumuliatorių įkrovimo būdai
Akumuliatorių išnaudojimas lemia jų išsikrovimą. Akumuliatorių restauravimas, mažų elementų įkrovimas atliekamas naudojant srovę, kurios stiprumo vertė neviršija vienos dešimtosios š altinio talpos.
Galimi šie įkrovimo būdai:
- naudojant pastovią srovę tam tikrą laiką (apie 16 valandų srovė, 0,1 akumuliatoriaus talpa);
- įkraunama mažėjančia srove iki iš anksto nustatytos potencialų skirtumo vertės;
- nesubalansuotų srovių naudojimas;
- nuoseklus trumpų įkrovimo ir iškrovimo impulsų taikymas, kai pirmojo laikas viršija antrojo laiką.
Praktinis darbas
Siūloma užduotis: nustatyti srovės š altinio ir EML vidinę varžą.
Norėdami tai atlikti, turite turėti srovės š altinio, ampermetro, voltmetro, slankiklio reostato, rakto, laidų rinkinio.
Naudojant Omo dėsnį uždarai grandinei bus nustatyta srovės š altinio vidinė varža. Norėdami tai padaryti, turite žinoti jo EMF, reostato varžos vertę.
Srovės varžos išorinėje grandinės dalyje apskaičiavimo formulė gali būti nustatyta pagal Omo dėsnį grandinės atkarpai:
I=U: R,
kur I yra srovės stipris išorinėje grandinės dalyje, matuojamas ampermetru; U - įtampa išorėjepasipriešinimas.
Siekiant pagerinti tikslumą, matavimai atliekami bent 5 kartus. Kam tai? Eksperimento metu išmatuota įtampa, varža, srovė (tiksliau, srovės stiprumas) naudojami toliau.
Norėdami nustatyti srovės š altinio EML, naudojame faktą, kad įtampa jo gnybtuose, kai raktas atidarytas, yra beveik lygi EML.
Surinkime grandinę iš akumuliatoriaus, reostato, ampermetro, nuosekliai sujungto rakto. Prie srovės š altinio gnybtų prijungiame voltmetrą. Atidarę raktą, nustatome jo rodmenis.
Vidinė varža, kurios formulė yra gauta pagal Ohmo dėsnį visai grandinei, nustatoma matematiniais skaičiavimais:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Matavimai rodo, kad vidinė varža yra daug mažesnė nei išorinė.
Praktinė įkraunamų baterijų ir baterijų funkcija yra plačiai naudojama. Neginčijamas elektros variklių saugumas aplinkai nekelia abejonių, tačiau sukurti talpų, ergonomišką akumuliatorių yra šiuolaikinės fizikos problema. Jo sprendimas paskatins naują automobilių technologijų plėtros etapą.
Mažos, lengvos, didelės talpos baterijos taip pat būtinos mobiliuosiuose elektroniniuose įrenginiuose. Juose sunaudojamos energijos kiekis yra tiesiogiai susijęs su įrenginių veikimu.
