Az elektromos áram a vezetőben elektromos tér hatására keletkezik, és a szabadon töltött részecskéket irányított mozgásra kényszeríti. A részecskeáram létrehozása komoly probléma. Az emberiség csak a 18. század végére tudott megoldani egy olyan eszközt, amely a mező potenciálkülönbségét egy állapotban hosszú ideig fenntartja.
Első próbálkozások
Hollandiában történtek az első kísérletek az elektromos áram "felhalmozására" a további kutatáshoz és felhasználáshoz. A német Ewald Jurgen von Kleist és a holland Peter van Muschenbrook, akik Leiden városában végezték kutatásaikat, megalkották a világ első kondenzátorát, amelyet később "Leyden jar"-nak neveztek.
A mechanikai súrlódás hatására már megtörtént az elektromos töltés felhalmozódása. Egy bizonyos, meglehetősen rövid ideig tartó kisülést egy vezetőn keresztül lehetett használni.
Az emberi elme győzelme egy olyan mulandó anyag felett, mint az elektromosság, forradalminak bizonyult.
Sajnos kisülés (kondenzátor által generált elektromos áram)olyan rövid ideig tartott, hogy nem tudott egyenáramot létrehozni. Ezenkívül a kondenzátor által szolgáltatott feszültség fokozatosan csökken, ami lehetetlenné teszi a folyamatos áram vételét.
Más utat kellett volna keresnem.
Első forrás
Az olasz Galvani „állati elektromossággal” végzett kísérletei eredeti kísérletek voltak arra, hogy természetes áramforrást találjanak a természetben. A kimetszett békák lábát vasrács fémkampóira akasztotta, és felhívta a figyelmet az idegvégződések jellegzetes reakciójára.
Azonban egy másik olasz, Alessandro Volta cáfolta Galvani következtetéseit. Érdekelte, hogy az állati szervezetekből áramot nyerhet, kísérletsorozatot végzett békákkal. De következtetése az előző hipotézisek teljes ellentéte.
Volta felhívta a figyelmet arra, hogy az élő szervezet csak az elektromos kisülés jelzője. Amikor az áram elhalad, a lábak izmai összehúzódnak, ami potenciálkülönbséget jelez. Az elektromos tér forrása különböző fémek érintkezése volt. Minél távolabb vannak egymástól egy sor kémiai elemben, annál nagyobb a hatás.
Az elektrolitoldatba áztatott papírkorongokkal lerakott, eltérő fémlemezek hosszú időn keresztül létrehozták a szükséges potenciálkülönbséget. És legyen alacsony (1,1 V), de az elektromos áramot még sokáig lehetne vizsgálni. A lényeg az, hogy a feszültség ugyanolyan sokáig változatlan maradt.
Mi történik
Miért okoznak ilyen hatást a „galvanikus celláknak” nevezett források?
Két fémelektróda, amelyek egy dielektrikumban vannak elhelyezve, különböző szerepet töltenek be. Az egyik elektronokat szolgáltat, a másik elfogadja azokat. A redoxreakció folyamata az egyik elektródán, amelyet negatív pólusnak nevezünk, elektronfelesleg megjelenéséhez vezet, a másikon pedig hiányosság, ezt a forrás pozitív pólusaként fogjuk jelölni.
A legegyszerűbb galvanikus cellákban az egyik elektródán oxidatív reakciók, a másikon redukciós reakciók mennek végbe. Az elektronok az áramkör kívülről érkeznek az elektródákhoz. Az elektrolit a forrás belsejében lévő ionok áramvezetője. Az ellenállás erőssége határozza meg a folyamat időtartamát.
Réz-cink elem
A galvánelemek működési elvét érdemes megfontolni egy réz-cink galvanikus cella példáján, amelynek hatása a cink és a réz-szulfát energiájának köszönhető. Ebben a forrásban egy rézlemezt helyeznek réz-szulfát-oldatba, és egy cink-elektródát merítenek cink-szulfát-oldatba. Az oldatokat porózus távtartó választja el a keveredés elkerülése érdekében, de érintkezniük kell egymással.
Ha az áramkör zárva van, a cink felületi rétege oxidálódik. A folyadékkal való kölcsönhatás során ionokká alakulva cinkatomok jelennek meg az oldatban. Az elektródán elektronok szabadulnak fel, amelyek részt vehetnek az áramtermelésben.
A rézelektródához érve az elektronok részt vesznek a redukciós reakcióban. Tól tőloldatban a rézionok bejutnak a felületi rétegbe, a redukció során rézatomokká alakulnak, lerakódnak a rézlemezre.
Összefoglalva a történéseket: a galvánelem működési folyamatát az áramkör külső része mentén az elektronok átvitele kíséri a redukálószerből az oxidálószerbe. A reakciók mindkét elektródán végbemennek. A forrás belsejében ionáram folyik.
Használati nehézség
Elvileg a lehetséges redox reakciók bármelyike felhasználható akkumulátorokban. De nincs olyan sok anyag, amely műszakilag értékes elemekben képes működni. Ráadásul sok reakcióhoz drága anyagokra van szükség.
A modern akkumulátorok felépítése egyszerűbb. Egy elektrolitba helyezett két elektróda tölti meg az edényt - az akkumulátorházat. Az ilyen tervezési jellemzők leegyszerűsítik a szerkezetet és csökkentik az akkumulátorok költségét.
Bármely galvanikus cella képes egyenáram előállítására.
Az áram ellenállása nem teszi lehetővé, hogy az összes ion egyszerre legyen az elektródákon, így az elem sokáig működik. Az ionképződés kémiai reakciói előbb-utóbb leállnak, az elem kisül.
Az áramforrás belső ellenállása fontos.
Egy kicsit az ellenállásról
Az elektromos áram használata kétségtelenül új szintre emelte a tudományos és technológiai fejlődést, és óriási lökést adott neki. De az áram áramlásával szembeni ellenállás ereje akadályozza az ilyen fejlődést.
Egyrészt az elektromos áramnak a mindennapi életben és a technikában használt felbecsülhetetlen értékű tulajdonságai vannak, másrészt jelentős az ellenállás. A fizika, mint a természettudomány, megpróbál egyensúlyt teremteni, összhangba hozni ezeket a körülményeket.
Az áramellenállás az elektromosan töltött részecskék és az anyaggal való kölcsönhatás miatt keletkezik, amelyen keresztül mozognak. Normál hőmérsékleti körülmények között ezt a folyamatot lehetetlen kizárni.
Ellenállás
Az áramforrás belső ellenállása és az áramkör külső részének ellenállása némileg eltérő jellegű, de ezekben a folyamatokban a töltés mozgatására irányuló munka ugyanaz.
Maga a munka csak a forrás tulajdonságaitól és tartalmától függ: az elektródák és az elektrolit minőségétől, valamint az áramkör külső részeitől, amelyek ellenállása a geometriai paraméterektől és a vegyi anyagoktól függ. az anyag jellemzői. Például egy fémhuzal ellenállása hosszának növekedésével nő, és csökken a keresztmetszeti terület bővülésével. Az ellenállás csökkentésével kapcsolatos probléma megoldása során a fizika speciális anyagok használatát javasolja.
Aktuális munka
A Joule-Lenz törvénynek megfelelően a vezetőkben felszabaduló hő mennyisége arányos az ellenállással. Ha a hőmennyiséget Qint.-nak, az I áram erősségét, folyásának idejét t jelöljük, akkor a következőt kapjuk:
Qint=I2 · r t,
ahol r a forrás belső ellenállásajelenlegi.
A teljes körben, beleértve a belső és külső részeket is, a teljes hőmennyiség szabadul fel, melynek képlete:
Qfull=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Ismert, hogyan jelölik az ellenállást a fizikában: egy külső áramkörnek (a forrás kivételével minden elemnek) R ellenállása van.
Ohm törvénye a teljes áramkörre
Vegye figyelembe, hogy a fő munkát külső erők végzik az áramforráson belül. Értéke megegyezik a mező által hordozott töltés és a forrás elektromotoros erejének szorzatával:
q E=I2 (r + R) t.
felismerve, hogy a töltés egyenlő az áramerősség és az áramlási idejének szorzatával, a következőket kapjuk:
E=I (r + R)
Az ok-okozati összefüggések szerint az Ohm-törvény alakja:
I=E: (r + R)
A zárt áramkörben az áram egyenesen arányos az áramforrás EMF-jével, és fordítottan arányos az áramkör teljes (teljes) ellenállásával.
E minta alapján meg lehet határozni az áramforrás belső ellenállását.
Forrás kisülési kapacitás
A kisülési kapacitás a források fő jellemzőinek is betudható. A bizonyos feltételek melletti működés közben elérhető maximális villamosenergia-mennyiség a kisülési áram erősségétől függ.
Ideális esetben bizonyos közelítések elvégzésekor a kisülési kapacitás állandónak tekinthető.
KPéldául egy szabványos akkumulátor 1,5 V potenciálkülönbséggel 0,5 Ah kisütési kapacitással rendelkezik. Ha a kisülési áram 100mA, akkor 5 órán keresztül működik.
Akkumulátorok töltésének módjai
Az akkumulátorok kihasználása lemerüléséhez vezet. Az akkumulátorok helyreállítása, a kis cellák feltöltése olyan árammal történik, amelynek erőssége nem haladja meg a forráskapacitás egytizedét.
A következő töltési módok állnak rendelkezésre:
- konstans áramot használva meghatározott ideig (körülbelül 16 óra áramerősség 0,1 akkumulátorkapacitás);
- töltés lecsökkentő árammal egy előre meghatározott potenciálkülönbség értékig;
- kiegyensúlyozatlan áramok használata;
- rövid töltési és kisütési impulzusok egymás utáni alkalmazása, amelyben az első ideje meghaladja a másodikét.
Gyakorlati munka
A feladat javasolt: az áramforrás és az EMF belső ellenállásának meghatározása.
A végrehajtásához fel kell töltenie egy áramforrást, egy ampermérőt, egy voltmérőt, egy csúszó reosztátot, egy kulcsot, egy vezetékkészletet.
A zárt áramkör Ohm-törvényének alkalmazása meghatározza az áramforrás belső ellenállását. Ehhez ismernie kell az EMF-jét, a reosztát ellenállásának értékét.
Az áramkör külső részének áramellenállásának számítási képlete az áramköri szakasz Ohm-törvényéből határozható meg:
I=U: R,
ahol I az áramerősség az áramkör külső részén, ampermérővel mérve; U - feszültség a külsőnellenállás.
A pontosság növelése érdekében a méréseket legalább 5 alkalommal kell elvégezni. Mire való? Az alábbiakban a kísérlet során mért feszültséget, ellenállást, áramerősséget (vagy inkább áramerősséget) használjuk.
Az áramforrás EMF-jének meghatározásához azt a tényt vesszük alapul, hogy a kapcsainál a feszültség nyitott kulcs mellett majdnem egyenlő az EMF-fel.
Állítsunk össze egy áramkört egy akkumulátorból, egy reosztátból, egy ampermérőből, egy sorba kapcsolt kulcsból. Voltmérőt csatlakoztatunk az áramforrás kivezetéseihez. A kulcs kinyitása után leolvassuk a leolvasást.
A belső ellenállás, amelynek képlete az Ohm-törvényből adódik egy teljes áramkörre, matematikai számításokkal határozható meg:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
A mérések azt mutatják, hogy a belső ellenállás sokkal kisebb, mint a külső.
Az újratölthető elemek és akkumulátorok gyakorlati funkcióját széles körben használják. A villanymotorok vitathatatlan környezetbiztonsága kétségtelen, de a nagy kapacitású, ergonomikus akkumulátor létrehozása a modern fizika problémája. Megoldása új fordulóhoz vezet az autóipari technológia fejlesztésében.
A kisméretű, könnyű, nagy kapacitású akkumulátorok szintén elengedhetetlenek a mobil elektronikai eszközökben. A bennük felhasznált energia mennyisége közvetlenül összefügg az eszközök teljesítményével.
