Električni tok v prevodniku nastane pod vplivom električnega polja, ki prisili proste nabite delce, da pridejo v usmerjeno gibanje. Ustvarjanje toka delcev je resen problem. Izdelati takšno napravo, ki bo ohranila potencialno razliko polja dolgo časa v enem stanju, je naloga, ki jo je človeštvo lahko rešilo šele do konca 18. stoletja.
Prvi poskusi
Prvi poskusi "akumulacije električne energije" za njeno nadaljnje raziskovanje in uporabo so bili narejeni na Nizozemskem. Nemec Ewald Jurgen von Kleist in Nizozemec Peter van Muschenbrook, ki sta svoje raziskave izvajala v mestu Leiden, sta ustvarila prvi kondenzator na svetu, kasneje imenovan "Leyden jar".
Akumulacija električnega naboja je že potekala pod delovanjem mehanskega trenja. Možno je bilo uporabiti razelektritev skozi vodnik za določeno, precej kratko obdobje.
Zmaga človeškega uma nad tako efemerno snovjo, kot je elektrika, se je izkazala za revolucionarno.
Na žalost, razelektritev (električni tok, ki ga ustvari kondenzator)trajal tako kratko, da ni mogel ustvariti enosmernega toka. Poleg tega se napetost, ki jo napaja kondenzator, postopoma zmanjšuje, kar onemogoča prejemanje neprekinjenega toka.
Moral bi poiskati drugo pot.
Prvi vir
Poskusi italijanskega Galvanija z "živalsko elektriko" so bili izvirni poskus iskanja naravnega vira toka v naravi. Obešal noge seciranih žab na kovinske kavlje železne rešetke, je opozoril na značilno reakcijo živčnih končičev.
Vendar je drugi Italijan, Alessandro Volta, zavrnil Galvanijeve zaključke. Zanimala ga je možnost pridobivanja električne energije iz živalskih organizmov, je izvedel vrsto poskusov z žabami. Toda njegov zaključek se je izkazal za popolno nasprotje prejšnjih hipotez.
Volta je opozoril na dejstvo, da je živ organizem le pokazatelj električnega razelektritve. Ko tok teče, se mišice nog skrčijo, kar kaže na potencialno razliko. Vir električnega polja je bil stik različnih kovin. Dlje kot so narazen v vrsti kemičnih elementov, večji je učinek.
Plošče iz različnih kovin, položene s papirnatimi diski, namočenimi v raztopini elektrolita, so dolgo časa ustvarjale potrebno potencialno razliko. In naj bo nizek (1,1 V), električni tok pa bi bilo mogoče dolgo raziskati. Glavna stvar je, da je napetost ostala nespremenjena prav toliko časa.
Kaj se dogaja
Zakaj viri, imenovani "galvanske celice", povzročajo tak učinek?
Dve kovinski elektrodi, nameščeni v dielektriku, igrata različne vloge. Eden dovaja elektrone, drugi jih sprejema. Proces redoks reakcije vodi do pojava presežka elektronov na eni elektrodi, ki se imenuje negativni pol, in primanjkljaja na drugem, označili ga bomo kot pozitivni pol vira.
V najpreprostejših galvanskih celicah se na eni elektrodi pojavijo oksidativne reakcije, na drugi pa redukcijske reakcije. Elektroni prihajajo na elektrode z zunanje strani vezja. Elektrolit je tokovni prevodnik ionov znotraj vira. Moč odpornosti določa trajanje procesa.
bakreno-cinkov element
Načelo delovanja galvanskih celic je zanimivo razmisliti na primeru bakreno-cinkovega galvanskega elementa, katerega delovanje je posledica energije cinka in bakrovega sulfata. V tem viru bakreno ploščo postavimo v raztopino bakrovega sulfata, cinkovo elektrodo pa potopimo v raztopino cinkovega sulfata. Raztopine so ločene s poroznim distančnikom, da se prepreči mešanje, vendar morajo biti v stiku.
Če je vezje zaprto, je površinska plast cinka oksidirana. V procesu interakcije s tekočino se v raztopini pojavijo atomi cinka, ki se spremenijo v ione. Na elektrodi se sproščajo elektroni, ki lahko sodelujejo pri ustvarjanju toka.
Ko pridejo do bakrene elektrode, elektroni sodelujejo v reakciji redukcije. Odraztopina, bakrovi ioni vstopijo v površinsko plast, v procesu redukcije se spremenijo v atome bakra, ki se odlagajo na bakreno ploščo.
Če povzamem, kaj se dogaja: proces delovanja galvanskega elementa spremlja prenos elektronov iz reducira v oksidant vzdolž zunanjega dela vezja. Reakcije potekajo na obeh elektrodah. V viru teče ionski tok.
Težave pri uporabi
Načeloma se lahko v baterijah uporabi katera koli od možnih redoks reakcij. Vendar ni toliko snovi, ki bi lahko delovale v tehnično dragocenih elementih. Poleg tega številne reakcije zahtevajo drage snovi.
Sodobne baterije imajo enostavnejšo strukturo. Dve elektrodi, nameščeni v en elektrolit, napolnita posodo - ohišje baterije. Takšne oblikovne značilnosti poenostavljajo strukturo in znižujejo stroške baterij.
Vsaka galvanska celica je sposobna proizvajati enosmerni tok.
Upornost toka ne omogoča, da bi bili vsi ioni na elektrodah hkrati, zato element deluje dolgo časa. Kemične reakcije nastajanja ionov se prej ali slej ustavijo, element se izprazni.
Notranji upor tokovnega vira je pomemben.
Malo o odpornosti
Uporaba električnega toka je nedvomno pripeljala znanstveni in tehnološki napredek na novo raven, mu dala velikanski zagon. Toda sila upora proti toku toka ovira tak razvoj.
Po eni strani ima električni tok neprecenljive lastnosti, ki se uporabljajo v vsakdanjem življenju in tehnologiji, po drugi strani pa obstaja precejšnje nasprotovanje. Fizika kot znanost o naravi poskuša vzpostaviti ravnovesje, uskladiti te okoliščine.
Tokovni upor nastane zaradi interakcije električno nabitih delcev s snovjo, skozi katero se premikajo. Ta proces je nemogoče izključiti pri normalnih temperaturnih pogojih.
Odpor
Notranji upor tokovnega vira in upor zunanjega dela vezja sta nekoliko drugačne narave, vendar je v teh procesih enako delo za premikanje naboja.
Samo delo je odvisno samo od lastnosti vira in njegove vsebine: kakovosti elektrod in elektrolita, pa tudi od zunanjih delov vezja, katerih upor je odvisen od geometrijskih parametrov in kemikalije značilnosti materiala. Na primer, upor kovinske žice se poveča s povečanjem njene dolžine in se zmanjša s širitvijo površine prečnega prereza. Pri reševanju problema, kako zmanjšati odpornost, fizika priporoča uporabo specializiranih materialov.
Delovni tok
V skladu z Joule-Lenzovim zakonom je količina toplote, ki se sprošča v prevodnikih, sorazmerna z uporom. Če označimo količino toplote kot Qint., jakost toka I, čas njegovega toka t, dobimo:
Qint=I2 · r t,
kjer je r notranji upor viratrenutno.
V celotnem krogu, vključno z notranjimi in zunanjimi deli, se bo sprostila skupna količina toplote, katere formula je:
Qfull=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
V fiziki je znano, kako je upor označen: zunanje vezje (vsi elementi razen vira) ima upor R.
Ohmov zakon za celotno vezje
Upoštevajte, da glavno delo opravljajo zunanje sile znotraj vira toka. Njegova vrednost je enaka zmnožku naboja, ki ga nosi polje, in elektromotorne sile vira:
q E=I2 (r + R) t.
ob spoznanju, da je naboj enak zmnožku trenutne jakosti in časa njegovega toka, imamo:
E=I (r + R)
Po vzročno-posledičnih razmerjih ima Ohmov zakon obliko:
I=E: (r + R)
Tok v zaprtem vezju je neposredno sorazmeren z EMF tokovnega vira in obratno sorazmeren s skupnim (skupnim) uporom vezja.
Na podlagi tega vzorca je mogoče določiti notranji upor tokovnega vira.
Zmogljivost vira praznjenja
Zmogljivost praznjenja lahko pripišemo tudi glavnim značilnostim virov. Največja količina električne energije, ki jo je mogoče pridobiti pri delovanju v določenih pogojih, je odvisna od jakosti razelektritvenega toka.
V idealnem primeru, ko so narejeni določeni približki, se lahko zmogljivost praznjenja šteje za konstantno.
KNa primer, standardna baterija s potencialno razliko 1,5 V ima kapaciteto praznjenja 0,5 Ah. Če je razelektritveni tok 100mA, potem deluje 5 ur.
Načini za polnjenje baterij
Izkoriščanje baterij vodi do njihove praznjenja. Obnavljanje baterij, polnjenje majhnih celic se izvaja s pomočjo toka, katerega jakost ne presega ene desetine zmogljivosti vira.
Na voljo so naslednji načini zaračunavanja:
- uporaba konstantnega toka za določen čas (približno 16 ur tok 0,1 zmogljivost baterije);
- polnjenje s padajočim tokom do vnaprej določene vrednosti potencialne razlike;
- uporaba neuravnoteženih tokov;
- zaporedna uporaba kratkih impulzov polnjenja in praznjenja, pri katerih čas prvega presega čas drugega.
Praktično delo
Predlagana je naloga: določiti notranji upor tokovnega vira in EMF.
Za izvedbo se morate založiti s tokovnim virom, ampermetrom, voltmetrom, drsnim reostatom, ključem, kompletom vodnikov.
Uporaba Ohmovega zakona za zaprto vezje bo določila notranji upor tokovnega vira. Če želite to narediti, morate poznati njegov EMF, vrednost upora reostata.
Izračunsko formulo za tokovni upor v zunanjem delu vezja je mogoče določiti iz Ohmovega zakona za odsek vezja:
I=U: R,
kjer je I moč toka v zunanjem delu vezja, merjena z ampermetrom; U - napetost na zunanjiupor.
Za izboljšanje natančnosti se meritve opravijo vsaj 5-krat. za kaj je to? Spodaj so uporabljene napetost, upor, tok (ali bolje rečeno, jakost toka), izmerjena med poskusom.
Za določitev EMF tokovnega vira uporabimo dejstvo, da je napetost na njegovih sponkah z odprtim ključem skoraj enaka EMF.
Sestavimo vezje iz baterije, reostata, ampermetra, ključa, povezanega zaporedno. Na sponke tokovnega vira priključimo voltmeter. Ko odpremo ključ, vzamemo njegove odčitke.
Notranji upor, katerega formula je pridobljena iz Ohmovega zakona za celotno vezje, se določi z matematičnimi izračuni:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Meritve kažejo, da je notranji upor veliko manjši od zunanjega.
Praktična funkcija baterij in baterij za ponovno polnjenje se pogosto uporablja. Nesporna okoljska varnost elektromotorjev je nedvomna, a ustvarjanje zmogljive, ergonomske baterije je problem sodobne fizike. Njegova rešitev bo vodila v nov krog v razvoju avtomobilske tehnologije.
Majhne, lahke baterije z visoko zmogljivostjo so bistvene tudi za mobilne elektronske naprave. Količina porabljene energije v njih je neposredno povezana z zmogljivostjo naprav.
