Elektrisk ström i ledaren uppstår under påverkan av ett elektriskt fält, vilket tvingar fria laddade partiklar att komma i riktad rörelse. Att skapa en partikelström är ett allvarligt problem. Att bygga en sådan anordning som kommer att bibehålla fältets potentiella skillnad under lång tid i ett tillstånd är en uppgift som mänskligheten skulle kunna lösa först i slutet av 1700-talet.
Första försök
De första försöken att "ackumulera elektricitet" för dess vidare forskning och användning gjordes i Holland. Tysken Ewald Jurgen von Kleist och holländaren Peter van Muschenbrook, som gjorde sin forskning i staden Leiden, skapade världens första kondensator, senare kallad "Leyden-burken".
Ansamlingen av elektrisk laddning har redan skett under inverkan av mekanisk friktion. Det var möjligt att använda en urladdning genom en ledare under en viss, ganska kort, tidsperiod.
Människans sinnes seger över en så kortvarig substans som elektricitet visade sig vara revolutionerande.
Tyvärr, urladdning (elektrisk ström genererad av en kondensator)varade så kort att den inte kunde skapa en likström. Dessutom reduceras spänningen från kondensatorn gradvis, vilket gör det omöjligt att ta emot en kontinuerlig ström.
Jag borde ha letat efter ett annat sätt.
Första källan
Italian Galvanis experiment med "djurelektricitet" var ett originellt försök att hitta en naturlig strömkälla i naturen. Han hängde benen på dissekerade grodor på metallkrokar i ett järngaller och uppmärksammade nervändarnas karakteristiska reaktion.
Men en annan italienare, Alessandro Volta, tillbakavisade Galvanis slutsatser. Intresserad av möjligheten att få elektricitet från djurorganismer genomförde han en serie experiment med grodor. Men hans slutsats visade sig vara raka motsatsen till de tidigare hypoteserna.
Volta uppmärksammade det faktum att en levande organism bara är en indikator på en elektrisk urladdning. När strömmen passerar drar benens muskler samman, vilket indikerar en potentiell skillnad. Källan till det elektriska fältet var kontakten av olika metaller. Ju längre ifrån varandra de är i en serie kemiska element, desto större effekt.
Plattor av olika metaller, lagda med pappersskivor indränkta i en elektrolytlösning, skapade den nödvändiga potentialskillnaden under lång tid. Och låt den vara låg (1,1 V), men den elektriska strömmen skulle kunna undersökas länge. Huvudsaken är att spänningen förblev oförändrad lika länge.
Vad händer
Varför orsakar källor som kallas "galvaniska celler" en sådan effekt?
Två metallelektroder placerade i ett dielektrikum spelar olika roller. Den ena levererar elektroner, den andra tar emot dem. Redoxreaktionsprocessen leder till uppkomsten av ett överskott av elektroner på en elektrod, som kallas den negativa polen, och en brist på den andra, vi kommer att beteckna den som källans positiva pol.
I de enklaste galvaniska cellerna sker oxidativa reaktioner på en elektrod och reduktionsreaktioner på den andra. Elektroner kommer till elektroderna från utsidan av kretsen. Elektrolyten är strömledaren för jonerna inuti källan. Motståndets styrka styr processens varaktighet.
Koppar-zinkelement
Funktionsprincipen för galvaniska celler är intressant att använda exemplet med en galvanisk koppar-zinkcell, vars verkan beror på energin hos zink och kopparsulfat. I denna källa placeras en kopparplatta i en kopparsulfatlösning och en zinkelektrod nedsänks i en zinksulfatlösning. Lösningar separeras med en porös distans för att förhindra blandning, men måste vara i kontakt.
Om kretsen är sluten oxideras ytskiktet av zink. I processen för interaktion med vätskan uppträder zinkatomer, som har förvandlats till joner, i lösningen. Elektroder frigörs på elektroden, som kan delta i genereringen av ström.
När man kommer till kopparelektroden deltar elektronerna i reduktionsreaktionen. Frånlösning kommer kopparjoner in i ytskiktet, under reduktionsprocessen förvandlas de till kopparatomer och avsätts på kopparplattan.
För att sammanfatta vad som händer: processen för drift av en galvanisk cell åtföljs av överföring av elektroner från reduktionsmedlet till oxidationsmedlet längs den yttre delen av kretsen. Reaktioner sker på båda elektroderna. En jonström flyter inuti källan.
Svårigheter att använda
I princip kan alla möjliga redoxreaktioner användas i batterier. Men det finns inte så många ämnen som kan arbeta i tekniskt värdefulla element. Dessutom kräver många reaktioner dyra ämnen.
Moderne batterier har en enklare struktur. Två elektroder placerade i en elektrolyt fyller kärlet - batterihöljet. Sådana designfunktioner förenklar strukturen och minskar kostnaden för batterier.
Alla galvaniska celler kan producera likström.
Strömmens resistans tillåter inte alla joner att vara på elektroderna samtidigt, så elementet fungerar länge. Kemiska reaktioner av jonbildning upphör förr eller senare, grundämnet släpps ut.
Det interna motståndet hos en strömkälla är viktigt.
Lite om motstånd
Användningen av elektrisk ström tog utan tvekan vetenskapliga och tekniska framsteg till en ny nivå, gav honom ett enormt uppsving. Men motståndskraften mot strömflödet står i vägen för en sådan utveckling.
Å ena sidan har elektrisk ström ovärderliga egenskaper som används i vardagsliv och teknik, å andra sidan finns det ett betydande motstånd. Fysiken, som en naturvetenskap, försöker hitta en balans, för att anpassa dessa omständigheter.
Strömmotstånd uppstår på grund av växelverkan mellan elektriskt laddade partiklar med ämnet genom vilket de rör sig. Det är omöjligt att utesluta denna process under normala temperaturförhållanden.
Resistance
Strömkällans inre resistans och resistansen i den externa delen av kretsen är av lite olika karaktär, men detsamma i dessa processer är arbetet med att flytta laddningen.
Själva arbetet beror endast på källans egenskaper och dess innehåll: egenskaperna hos elektroderna och elektrolyten, såväl som för de yttre delarna av kretsen, vars resistans beror på de geometriska parametrarna och kemiska materialets egenskaper. Till exempel ökar motståndet hos en metalltråd med en ökning av dess längd och minskar med en expansion av tvärsnittsarean. När man löser problemet med hur man minskar motståndet rekommenderar fysiken att man använder specialmaterial.
Arbetsaktuellt
I enlighet med Joule-Lenz-lagen är mängden värme som frigörs i ledarna proportionell mot resistansen. Om vi anger mängden värme som Qint., styrkan av strömmen I, tiden för dess flöde t, så får vi:
Qint=I2 · r t,
där r är källans inre motståndaktuell.
I hela kretsen, inklusive både dess interna och externa delar, kommer den totala mängden värme att frigöras, vars formel är:
Qfull=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Det är känt hur resistans betecknas i fysiken: en extern krets (alla element utom källan) har resistans R.
Ohms lag för en komplett krets
Ta hänsyn till att huvudarbetet utförs av externa krafter inuti den aktuella källan. Dess värde är lika med produkten av laddningen som bärs av fältet och källans elektromotoriska kraft:
q E=I2 (r + R) t.
när vi inser att laddningen är lika med produkten av strömstyrkan och tiden för dess flöde, har vi:
E=I (r + R)
Enligt orsak-och-verkan-samband har Ohms lag formen:
I=E: (r + R)
Strömmen i en sluten krets är direkt proportionell mot strömkällans EMF och omvänt proportionell mot kretsens totala (totala) resistans.
Baserat på det här mönstret är det möjligt att bestämma det interna motståndet för den aktuella källan.
Källurladdningskapacitet
Utladdningskapacitet kan också hänföras till källornas huvudegenskaper. Den maximala mängd elektricitet som kan erhållas vid drift under vissa förhållanden beror på styrkan på urladdningsströmmen.
I det ideala fallet, när vissa uppskattningar görs, kan tömningskapaciteten anses vara konstant.
KTill exempel har ett standardbatteri med en potentialskillnad på 1,5 V en urladdningskapacitet på 0,5 Ah. Om urladdningsströmmen är 100mA, fungerar den i 5 timmar.
Metoder för att ladda batterier
Exploatering av batterier leder till att de laddas ur. Återställning av batterier, laddning av små celler utförs med en ström vars styrka inte överstiger en tiondel av källkapaciteten.
Följande laddningsmetoder är tillgängliga:
- med konstant ström under en angiven tid (cirka 16 timmar ström 0,1 batterikapacitet);
- laddning med en nedtrappningsström till ett förutbestämt potentialskillnadsvärde;
- användning av obalanserade strömmar;
- successiv applicering av korta pulser av laddning och urladdning, där tiden för den första överstiger tiden för den andra.
Praktiskt arbete
Uppgiften föreslås: att bestämma det interna motståndet för den aktuella källan och EMF.
För att utföra det måste du fylla på med en strömkälla, en amperemeter, en voltmeter, en reglage-reostat, en nyckel, en uppsättning ledare.
Att använda Ohms lag för en sluten krets kommer att bestämma den interna resistansen för strömkällan. För att göra detta måste du känna till dess EMF, värdet på reostatens motstånd.
Beräkningsformeln för strömresistansen i den yttre delen av kretsen kan bestämmas från Ohms lag för kretssektionen:
I=U: R,
där I är strömstyrkan i den yttre delen av kretsen, mätt med en amperemeter; U - spänning på utsidanmotstånd.
För att förbättra noggrannheten görs mätningar minst 5 gånger. Vad är det för? Spänningen, resistansen, strömmen (eller snarare strömstyrkan) som uppmätts under experimentet används nedan.
För att bestämma EMF för strömkällan använder vi det faktum att spänningen vid dess terminaler med nyckeln öppen är nästan lika med EMF.
Låt oss sätta ihop en krets av ett batteri, en reostat, en amperemeter, en nyckel kopplad i serie. Vi ansluter en voltmeter till terminalerna på strömkällan. Efter att ha öppnat nyckeln tar vi avläsningarna.
Intern resistans, vars formel erhålls från Ohms lag för en komplett krets, bestäms av matematiska beräkningar:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Mätningar visar att det inre motståndet är mycket mindre än det externa.
Den praktiska funktionen hos laddningsbara batterier och batterier används ofta. Den obestridliga miljösäkerheten för elmotorer är utom tvivel, men att skapa ett rymligt, ergonomiskt batteri är ett problem i modern fysik. Dess lösning kommer att leda till en ny omgång i utvecklingen av fordonsteknik.
Små, lätta batterier med hög kapacitet är också viktiga i mobila elektroniska enheter. Mängden energi som används i dem är direkt relaterad till enheternas prestanda.
