Curentul electric din conductor apare sub influența unui câmp electric, forțând particulele încărcate libere să intre în mișcare direcționată. Crearea unui curent de particule este o problemă serioasă. A construi un astfel de dispozitiv care va menține diferența de potențial a câmpului pentru o lungă perioadă de timp într-un singur stat este o sarcină pe care omenirea ar putea-o rezolva abia până la sfârșitul secolului al XVIII-lea.
Primele încercări
Primele încercări de „acumulare electricitate” pentru cercetarea și utilizarea ulterioară a acesteia au fost făcute în Olanda. Germanul Ewald Jurgen von Kleist și olandezul Peter van Muschenbrook, care și-au condus cercetările în orașul Leiden, au creat primul condensator din lume, numit mai târziu „borcanul Leyden”.
Acumularea de sarcină electrică a avut deja loc sub acțiunea frecării mecanice. Era posibil să se folosească o descărcare printr-un conductor pentru o anumită perioadă de timp, destul de scurtă.
Victoria minții umane asupra unei substanțe atât de efemere precum electricitatea s-a dovedit a fi revoluționară.
Din păcate, descărcare (curent electric generat de un condensator)a durat atât de scurt încât nu a putut crea un curent continuu. În plus, tensiunea furnizată de condensator este redusă treptat, ceea ce face imposibilă primirea unui curent continuu.
Ar fi trebuit să caut altă cale.
Prima sursă
Experimentele „electricitatea animală” ale italianului Galvani au fost o încercare originală de a găsi o sursă naturală de curent în natură. Atârnând picioarele broaștelor disecate de cârlige metalice ale unei rețele de fier, el a atras atenția asupra reacției caracteristice a terminațiilor nervoase.
Totuși, un alt italian, Alessandro Volta, a respins concluziile lui Galvani. Interesat de posibilitatea de a obține energie electrică de la organisme animale, a efectuat o serie de experimente cu broaște. Dar concluzia sa s-a dovedit a fi total opusul ipotezelor anterioare.
Volta a atras atenția asupra faptului că un organism viu este doar un indicator al unei descărcări electrice. Când trece curentul, mușchii picioarelor se contractă, indicând o diferență de potențial. Sursa câmpului electric a fost contactul cu metale diferite. Cu cât sunt mai îndepărtate într-o serie de elemente chimice, cu atât efectul este mai mare.
Plăcile din metale diferite, așezate cu discuri de hârtie înmuiate într-o soluție de electrolit, au creat diferența de potențial necesară pentru o lungă perioadă de timp. Și să fie scăzut (1,1 V), dar curentul electric ar putea fi investigat mult timp. Principalul lucru este că tensiunea a rămas neschimbată la fel de mult timp.
Ce se întâmplă
De ce sursele numite „celule galvanice” provoacă un astfel de efect?
Doi electrozi metalici plasați într-un dielectric joacă roluri diferite. Unul furnizează electroni, celăl alt îi acceptă. Procesul de reacție redox duce la apariția unui exces de electroni pe un electrod, care se numește pol negativ, și o deficiență pe al doilea, îl vom desemna ca pol pozitiv al sursei.
În cele mai simple celule galvanice, reacțiile oxidative au loc pe un electrod, iar reacțiile de reducere au loc pe celăl alt. Electronii vin la electrozi din exteriorul circuitului. Electrolitul este conductorul de curent al ionilor din interiorul sursei. Puterea rezistenței guvernează durata procesului.
Element cupru-zinc
Principiul de funcționare al celulelor galvanice este interesant de luat în considerare folosind exemplul unei celule galvanice cupru-zinc, a cărei acțiune se datorează energiei zincului și sulfatului de cupru. În această sursă, o placă de cupru este plasată într-o soluție de sulfat de cupru, iar un electrod de zinc este scufundat într-o soluție de sulfat de zinc. Soluțiile sunt separate printr-un distanțier poros pentru a preveni amestecarea, dar trebuie să fie în contact.
Dacă circuitul este închis, stratul superficial de zinc este oxidat. În procesul de interacțiune cu lichidul, în soluție apar atomii de zinc, transformându-se în ioni. Electronii sunt eliberați pe electrod, care poate participa la generarea de curent.
Ajungând la electrodul de cupru, electronii iau parte la reacția de reducere. Dinsoluție, ionii de cupru intră în stratul de suprafață, în procesul de reducere se transformă în atomi de cupru, depunându-se pe placa de cupru.
Pentru a rezuma ceea ce se întâmplă: procesul de funcționare a unei celule galvanice este însoțit de transferul de electroni de la agentul reducător la agentul de oxidare de-a lungul părții exterioare a circuitului. Reacțiile au loc pe ambii electrozi. Un curent ionic circulă în interiorul sursei.
Dificultate de utilizare
În principiu, oricare dintre posibilele reacții redox poate fi folosită în baterii. Dar nu există atât de multe substanțe capabile să lucreze în elemente valoroase din punct de vedere tehnic. În plus, multe reacții necesită substanțe scumpe.
Bateriile moderne au o structură mai simplă. Doi electrozi plasați într-un electrolit umplu vasul - carcasa bateriei. Astfel de caracteristici de design simplifică structura și reduc costul bateriilor.
Orice celulă galvanică este capabilă să producă curent continuu.
Rezistența curentului nu permite ca toți ionii să fie pe electrozi în același timp, astfel încât elementul funcționează mult timp. Reacțiile chimice de formare a ionilor se opresc mai devreme sau mai târziu, elementul este descărcat.
Rezistența internă a unei surse de curent este importantă.
Puțin despre rezistență
Folosirea curentului electric, fără îndoială, a adus progresul științific și tehnologic la un nou nivel, i-a dat un impuls uriaș. Dar forța de rezistență la fluxul de curent împiedică o astfel de dezvoltare.
Pe de o parte, curentul electric are proprietăți neprețuite utilizate în viața de zi cu zi și în tehnologie, pe de altă parte, există o opoziție semnificativă. Fizica, ca știință a naturii, încearcă să atingă un echilibru, să alinieze aceste circumstanțe.
Rezistența curentă apare din cauza interacțiunii particulelor încărcate electric cu substanța prin care se deplasează. Este imposibil să excludeți acest proces în condiții normale de temperatură.
Rezistență
Rezistența internă a sursei de curent și rezistența părții exterioare a circuitului sunt de o natură ușor diferită, dar același lucru în aceste procese este și munca depusă pentru deplasarea încărcăturii.
Lucrarea în sine depinde numai de proprietățile sursei și de conținutul acesteia: calitățile electrozilor și electrolitului, precum și ale părților externe ale circuitului, a căror rezistență depinde de parametrii geometrici și chimici. caracteristicile materialului. De exemplu, rezistența unui fir metalic crește odată cu creșterea lungimii sale și scade odată cu extinderea ariei secțiunii transversale. Când rezolvați problema reducerii rezistenței, fizica recomandă utilizarea materialelor specializate.
Curent de lucru
În conformitate cu legea Joule-Lenz, cantitatea de căldură degajată în conductori este proporțională cu rezistența. Dacă desemnăm cantitatea de căldură Qint., puterea curentului I, timpul curgerii sale t, atunci obținem:
Qint=I2 · r t,
unde r este rezistența internă a surseicurent.
În întregul circuit, incluzând atât părțile sale interne, cât și cele externe, se va elibera cantitatea totală de căldură, a cărei formulă este:
Qfull=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Se știe cum se notează rezistența în fizică: un circuit extern (toate elementele cu excepția sursei) are rezistența R.
Legea lui Ohm pentru un circuit complet
Ține cont de faptul că munca principală este făcută de forțe externe în interiorul sursei de curent. Valoarea sa este egală cu produsul dintre sarcina purtată de câmp și forța electromotoare a sursei:
q E=I2 (r + R) t.
realizând că sarcina este egală cu produsul dintre puterea curentului și timpul curgerii sale, avem:
E=I (r + R)
Conform relațiilor cauză-efect, legea lui Ohm are forma:
I=E: (r + R)
Curentul dintr-un circuit închis este direct proporțional cu EMF al sursei de curent și invers proporțional cu rezistența totală (totală) a circuitului.
Pe baza acestui model, este posibil să se determine rezistența internă a sursei de curent.
Capacitatea de descărcare a sursei
Capacitatea de descărcare poate fi atribuită și principalelor caracteristici ale surselor. Cantitatea maximă de energie electrică care poate fi obținută atunci când funcționează în anumite condiții depinde de puterea curentului de descărcare.
În cazul ideal, când se fac anumite aproximări, capacitatea de descărcare poate fi considerată constantă.
KDe exemplu, o baterie standard cu o diferență de potențial de 1,5 V are o capacitate de descărcare de 0,5 Ah. Dacă curentul de descărcare este de 100 mA, atunci funcționează timp de 5 ore.
Metode de încărcare a bateriilor
Exploatarea bateriilor duce la descărcarea acestora. Restaurarea bateriilor, încărcarea celulelor mici se realizează folosind un curent a cărui valoare a puterii nu depășește o zecime din capacitatea sursei.
Sunt disponibile următoarele metode de încărcare:
- folosind curent constant pentru un timp specificat (aproximativ 16 ore curent 0,1 capacitate baterie);
- încărcare cu un curent descendent la o valoare predeterminată a diferenței de potențial;
- folosirea curenților dezechilibrati;
- aplicarea succesivă a impulsurilor scurte de încărcare și descărcare, în care timpul primului depășește timpul celui de-al doilea.
Lucrări practice
Se propune sarcina: de a determina rezistența internă a sursei de curent și EMF.
Pentru a-l efectua, trebuie să vă aprovizionați cu o sursă de curent, un ampermetru, un voltmetru, un reostat glisor, o cheie, un set de conductori.
Folosirea legii lui Ohm pentru un circuit închis va determina rezistența internă a sursei de curent. Pentru a face acest lucru, trebuie să cunoașteți EMF-ul său, valoarea rezistenței reostatului.
Formula de calcul pentru rezistența de curent în partea exterioară a circuitului poate fi determinată din legea lui Ohm pentru secțiunea circuitului:
I=U: R,
unde I este puterea curentului în partea exterioară a circuitului, măsurată cu un ampermetru; U - tensiune pe exteriorrezistență.
Pentru a îmbunătăți acuratețea, măsurătorile sunt efectuate de cel puțin 5 ori. Pentru ce este? Tensiunea, rezistența, curentul (sau mai degrabă, puterea curentului) măsurate în timpul experimentului sunt utilizate mai jos.
Pentru a determina EMF-ul sursei de curent, folosim faptul că tensiunea la bornele sale cu cheia deschisă este aproape egală cu EMF.
Să asamblam un circuit dintr-o baterie, un reostat, un ampermetru, o cheie conectată în serie. Conectam un voltmetru la bornele sursei de curent. După ce am deschis cheia, luăm valorile acesteia.
Rezistența internă, a cărei formulă se obține din legea lui Ohm pentru un circuit complet, este determinată prin calcule matematice:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Măsurătorile arată că rezistența internă este mult mai mică decât cea externă.
Funcția practică a bateriilor și bateriilor reîncărcabile este utilizată pe scară largă. Siguranța incontestabilă a motoarelor electrice este dincolo de orice îndoială, dar crearea unei baterii încăpătoare și ergonomice este o problemă a fizicii moderne. Soluția sa va duce la o nouă rundă de dezvoltare a tehnologiei auto.
Bateriile mici, ușoare și de mare capacitate sunt, de asemenea, esențiale pentru dispozitivele electronice mobile. Cantitatea de energie utilizată în acestea este direct legată de performanța dispozitivelor.
