Prąd elektryczny w przewodniku powstaje pod wpływem pola elektrycznego, zmuszając swobodne, naładowane cząstki do ruchu ukierunkowanego. Wytwarzanie prądu cząsteczkowego to poważny problem. Zbudowanie takiego urządzenia, które utrzyma potencjalną różnicę pola przez długi czas w jednym stanie, to zadanie, które ludzkość mogła rozwiązać dopiero pod koniec XVIII wieku.
Pierwsze próby
Pierwsze próby "akumulacji elektryczności" dla jej dalszych badań i wykorzystania miały miejsce w Holandii. Niemiec Ewald Jurgen von Kleist i Holender Peter van Muschenbrook, którzy prowadzili swoje badania w mieście Leiden, stworzyli pierwszy na świecie kondensator, nazwany później „słoikiem lejdeńskim”.
Nagromadzenie ładunku elektrycznego miało już miejsce pod wpływem tarcia mechanicznego. Możliwe było użycie wyładowania przez przewodnik przez pewien, dość krótki czas.
Zwycięstwo ludzkiego umysłu nad tak ulotną substancją jak elektryczność okazało się rewolucyjne.
Niestety rozładowanie (prąd elektryczny generowany przez kondensator)trwała tak krótko, że nie mogła wytworzyć prądu stałego. Dodatkowo napięcie dostarczane przez kondensator jest stopniowo obniżane, co uniemożliwia odbiór ciągłego prądu.
Powinienem był poszukać innego sposobu.
Pierwsze źródło
Eksperymenty włoskiego Galvaniego z „elektrycznością zwierząt” były oryginalną próbą znalezienia naturalnego źródła prądu w przyrodzie. Wisząc nogi rozciętych żab na metalowych hakach żelaznej kraty, zwrócił uwagę na charakterystyczną reakcję zakończeń nerwowych.
Jednak inny Włoch, Alessandro Volta, obalił wnioski Galvaniego. Zainteresowany możliwością pozyskiwania energii elektrycznej z organizmów zwierzęcych przeprowadził szereg eksperymentów z żabami. Ale jego wniosek okazał się całkowitym przeciwieństwem poprzednich hipotez.
Volta zwrócił uwagę na fakt, że żywy organizm jest tylko wskaźnikiem wyładowania elektrycznego. Kiedy prąd mija, mięśnie nóg kurczą się, wskazując na potencjalną różnicę. Źródłem pola elektrycznego był kontakt różnych metali. Im dalej od siebie znajdują się w szeregu pierwiastków chemicznych, tym większy efekt.
Płyty z różnych metali, ułożone z papierowymi krążkami nasączonymi roztworem elektrolitu, przez długi czas tworzyły niezbędną różnicę potencjałów. I niech będzie niski (1,1 V), ale prąd elektryczny mógłby być badany przez długi czas. Najważniejsze jest to, że napięcie pozostało niezmienione przez tak samo długo.
Co się dzieje
Dlaczego źródła zwane „ogniwami galwanicznymi” powodują taki efekt?
Dwie metalowe elektrody umieszczone w dielektryku pełnią różne role. Jeden dostarcza elektrony, drugi je przyjmuje. Proces reakcji redoks prowadzi do pojawienia się nadmiaru elektronów na jednej elektrodzie, co nazywamy biegunem ujemnym, a niedoboru na drugiej, oznaczamy to jako biegun dodatni źródła.
W najprostszych ogniwach galwanicznych na jednej elektrodzie zachodzą reakcje utleniania, a na drugiej reakcje redukcji. Elektrony docierają do elektrod z zewnątrz obwodu. Elektrolit jest przewodnikiem prądu jonów wewnątrz źródła. Siła oporu reguluje czas trwania procesu.
Pierwiastek miedziano-cynkowy
Zasadę działania ogniw galwanicznych warto rozważyć na przykładzie miedziano-cynkowego ogniwa galwanicznego, którego działanie wynika z energii siarczanu cynku i miedzi. W tym źródle płytkę miedzianą umieszcza się w roztworze siarczanu miedzi, a elektrodę cynkową zanurza się w roztworze siarczanu cynku. Roztwory są oddzielone porowatą przekładką, aby zapobiec mieszaniu, ale muszą być w kontakcie.
Jeśli obwód jest zamknięty, wierzchnia warstwa cynku jest utleniana. W procesie interakcji z cieczą w roztworze pojawiają się atomy cynku, które zamieniły się w jony. Na elektrodzie uwalniane są elektrony, które mogą brać udział w generowaniu prądu.
Docierając do elektrody miedzianej, elektrony biorą udział w reakcji redukcji. Odjony miedzi wnikają w warstwę powierzchniową, w procesie redukcji zamieniają się w atomy miedzi, osadzając się na miedzianej płycie.
Podsumowując, co się dzieje: procesowi działania ogniwa galwanicznego towarzyszy transfer elektronów z czynnika redukującego do czynnika utleniającego wzdłuż zewnętrznej części obwodu. Reakcje zachodzą na obu elektrodach. Wewnątrz źródła płynie prąd jonowy.
Trudność użytkowania
W zasadzie każda z możliwych reakcji redoks może być używana w akumulatorach. Ale nie ma tak wielu substancji zdolnych do pracy w technicznie wartościowych pierwiastkach. Co więcej, wiele reakcji wymaga drogich substancji.
Nowoczesne baterie mają prostszą budowę. Dwie elektrody umieszczone w jednym elektrolicie napełniają naczynie - pojemnik na baterie. Takie cechy konstrukcyjne upraszczają konstrukcję i zmniejszają koszt baterii.
Każde ogniwo galwaniczne może wytwarzać prąd stały.
Rezystancja prądu nie pozwala na to, aby wszystkie jony znalazły się na elektrodach w tym samym czasie, więc element działa przez długi czas. Reakcje chemiczne tworzenia jonów prędzej czy później ustają, pierwiastek jest rozładowywany.
Wewnętrzna rezystancja źródła prądu jest ważna.
Trochę o oporze
Wykorzystanie prądu elektrycznego bez wątpienia przeniosło postęp naukowy i technologiczny na nowy poziom, dało mu gigantyczny impuls. Ale siła oporu wobec przepływu prądu staje na drodze takiego rozwoju.
Z jednej strony prąd elektryczny ma nieocenione właściwości wykorzystywane w życiu codziennym i technice, z drugiej strony istnieje spora opozycja. Fizyka, jako nauka o naturze, stara się znaleźć równowagę, dostosować te okoliczności.
Opór prądowy powstaje w wyniku interakcji naładowanych elektrycznie cząstek z substancją, przez którą się poruszają. Nie można wykluczyć tego procesu w normalnych warunkach temperaturowych.
Opór
Rezystancja wewnętrzna źródła prądu i rezystancja zewnętrznej części obwodu mają nieco inny charakter, ale tak samo w tych procesach jest praca wykonana w celu przesunięcia ładunku.
Sama praca zależy tylko od właściwości źródła i jego zawartości: właściwości elektrod i elektrolitu, a także od zewnętrznych części obwodu, których rezystancja zależy od parametrów geometrycznych i chemicznych charakterystyka materiału. Na przykład rezystancja drutu metalowego wzrasta wraz ze wzrostem jego długości i maleje wraz z rozszerzeniem pola przekroju. Przy rozwiązywaniu problemu, jak zmniejszyć opór, fizyka zaleca użycie specjalistycznych materiałów.
Prąd pracy
Zgodnie z prawem Joule'a-Lenza, ilość ciepła uwalnianego w przewodach jest proporcjonalna do rezystancji. Jeśli wyznaczymy ilość ciepła jako Qint., siłę prądu I, czas jego przepływu t, to otrzymujemy:
Qint=I2 · r t,
gdzie r jest rezystancją wewnętrzną źródłaobecny.
W całym obwodzie, łącznie z jego częścią wewnętrzną i zewnętrzną, zostanie uwolniona całkowita ilość ciepła, której wzór jest następujący:
Qpełne=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Wiadomo, jak oznacza się opór w fizyce: obwód zewnętrzny (wszystkie elementy oprócz źródła) ma opór R.
Prawo Ohma dla pełnego obwodu
Weź pod uwagę, że główna praca jest wykonywana przez siły zewnętrzne wewnątrz źródła prądu. Jego wartość jest równa iloczynowi ładunku niesionego przez pole i siły elektromotorycznej źródła:
q E=I2 (r + R) t.
Zdając sobie sprawę, że ładunek jest równy iloczynowi natężenia prądu i czasu jego przepływu, mamy:
E=I (r + R)
Zgodnie ze związkami przyczynowo-skutkowymi, prawo Ohma ma postać:
I=E: (r + R)
Prąd w obwodzie zamkniętym jest wprost proporcjonalny do pola elektromagnetycznego źródła prądu i odwrotnie proporcjonalny do całkowitej (całkowitej) rezystancji obwodu.
Na podstawie tego wzoru można określić wewnętrzną rezystancję źródła prądu.
Zdolność rozładowania źródła
Zdolność rozładowania można również przypisać głównym cechom źródeł. Maksymalna ilość energii elektrycznej, którą można uzyskać podczas pracy w określonych warunkach, zależy od natężenia prądu rozładowania.
W idealnym przypadku, po dokonaniu pewnych przybliżeń, wydajność rozładowania można uznać za stałą.
KNa przykład standardowy akumulator o różnicy potencjałów 1,5 V ma pojemność rozładowania 0,5 Ah. Jeśli prąd rozładowania wynosi 100mA, to działa przez 5 godzin.
Metody ładowania akumulatorów
Eksploatacja akumulatorów prowadzi do ich rozładowania. Regeneracja baterii, ładowanie małych ogniw odbywa się prądem, którego wartość siły nie przekracza jednej dziesiątej pojemności źródła.
Dostępne są następujące metody ładowania:
- używanie stałego prądu przez określony czas (około 16 godzin prądu 0,1 pojemności baterii);
- ładowanie prądem obniżającym napięcie do określonej wartości różnicy potencjałów;
- zastosowanie niezrównoważonych prądów;
- kolejne stosowanie krótkich impulsów ładowania i rozładowania, w których czas pierwszego przekracza czas drugiego.
Praca praktyczna
Zaproponowano zadanie: określenie rezystancji wewnętrznej źródła prądu i pola elektromagnetycznego.
Aby go wykonać, musisz zaopatrzyć się w źródło prądu, amperomierz, woltomierz, suwak, klucz, komplet przewodów.
Użycie prawa Ohma dla obwodu zamkniętego określi wewnętrzną rezystancję źródła prądu. Aby to zrobić, musisz znać jego EMF, wartość rezystancji reostatu.
Wzór na obliczenie rezystancji prądu w zewnętrznej części obwodu można wyznaczyć z prawa Ohma dla sekcji obwodu:
I=U: R,
gdzie I jest natężeniem prądu w zewnętrznej części obwodu, mierzonym amperomierzem; U - napięcie na zewnątrzodporność.
Aby poprawić dokładność, pomiary są wykonywane co najmniej 5 razy. Po co to jest? Napięcie, rezystancja, prąd (a raczej natężenie prądu) zmierzone podczas eksperymentu są używane poniżej.
Aby określić siłę elektromotoryczną źródła prądu, wykorzystujemy fakt, że napięcie na jego zaciskach przy otwartym kluczu jest prawie równe EMF.
Złóżmy obwód z baterii, reostatu, amperomierza, klucza połączonego szeregowo. Podłączamy woltomierz do zacisków źródła prądu. Po otwarciu klucza dokonujemy jego odczytów.
Rezystancja wewnętrzna, której wzór jest uzyskiwany z prawa Ohma dla całego obwodu, jest określana na podstawie obliczeń matematycznych:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Pomiary pokazują, że opór wewnętrzny jest znacznie mniejszy niż zewnętrzny.
Praktyczna funkcja akumulatorów i baterii jest szeroko stosowana. Niekwestionowane bezpieczeństwo ekologiczne silników elektrycznych nie budzi wątpliwości, ale stworzenie pojemnej, ergonomicznej baterii to problem współczesnej fizyki. Jego rozwiązanie doprowadzi do nowej rundy w rozwoju technologii motoryzacyjnej.
Małe, lekkie baterie o dużej pojemności są również niezbędne w mobilnych urządzeniach elektronicznych. Ilość zużywanej w nich energii jest bezpośrednio związana z wydajnością urządzeń.
