Elektrisk strøm i lederen opstår under påvirkning af et elektrisk felt, hvilket tvinger frie ladede partikler til at komme i rettet bevægelse. At skabe en partikelstrøm er et alvorligt problem. At bygge en sådan enhed, der vil bevare feltets potentielle forskel i lang tid i én stat, er en opgave, som menneskeheden først kunne løse i slutningen af det 18. århundrede.
Første forsøg
De første forsøg på at "akkumulere elektricitet" til dens videre forskning og brug blev gjort i Holland. Tyskeren Ewald Jurgen von Kleist og hollænderen Peter van Muschenbrook, der foretog deres forskning i byen Leiden, skabte verdens første kondensator, senere kaldet "Leyden-krukken".
Akkumuleringen af elektrisk ladning har allerede fundet sted under påvirkning af mekanisk friktion. Det var muligt at bruge en udledning gennem en leder i et vist, ret kort tidsrum.
Det menneskelige sinds sejr over et så flygtigt stof som elektricitet viste sig at være revolutionært.
Desværre, afladning (elektrisk strøm genereret af en kondensator)varede så kort, at den ikke kunne skabe en jævnstrøm. Derudover reduceres spændingen fra kondensatoren gradvist, hvilket gør det umuligt at modtage en kontinuerlig strøm.
Jeg skulle have ledt efter en anden vej.
Førstekilde
Italienske Galvanis eksperimenter med "dyreelektricitet" var et origin alt forsøg på at finde en naturlig strømkilde i naturen. Han hang benene af dissekerede frøer på metalkroge af et jerngitter og henledte opmærksomheden på nerveendernes karakteristiske reaktion.
En anden italiener, Alessandro Volta, tilbageviste imidlertid Galvanis konklusioner. Interesseret i muligheden for at få elektricitet fra dyreorganismer udførte han en række eksperimenter med frøer. Men hans konklusion viste sig at være den fuldstændige modsatte af de tidligere hypoteser.
Volta gjorde opmærksom på, at en levende organisme kun er en indikator for en elektrisk udladning. Når strømmen går, trækker benmusklerne sig sammen, hvilket indikerer en potentiel forskel. Kilden til det elektriske felt var kontakten mellem uens metaller. Jo længere fra hinanden de er i en række kemiske grundstoffer, jo større er effekten.
Plader af forskellige metaller, lagt med papirskiver gennemvædet i en elektrolytopløsning, skabte den nødvendige potentialeforskel i lang tid. Og lad det være lavt (1,1 V), men den elektriske strøm kunne undersøges i lang tid. Det vigtigste er, at spændingen forblev uændret lige så længe.
Hvad sker der
Hvorfor forårsager kilder kaldet "galvaniske celler" sådan en effekt?
To metalelektroder placeret i et dielektrikum spiller forskellige roller. Den ene leverer elektroner, den anden accepterer dem. Redoxreaktionsprocessen fører til fremkomsten af et overskud af elektroner på den ene elektrode, som kaldes den negative pol, og en mangel på den anden, vi vil betegne det som kildens positive pol.
I de enkleste galvaniske celler forekommer oxidative reaktioner på den ene elektrode, og reduktionsreaktioner forekommer på den anden. Elektroner kommer til elektroderne fra ydersiden af kredsløbet. Elektrolytten er strømlederen af ionerne inde i kilden. Styrken af modstand styrer varigheden af processen.
Kobber-zinkelement
Princippet for drift af galvaniske celler er interessant at overveje at bruge eksemplet med en kobber-zink galvanisk celle, hvis virkning skyldes energien af zink og kobbersulfat. I denne kilde anbringes en kobberplade i en kobbersulfatopløsning, og en zinkelektrode nedsænkes i en zinksulfatopløsning. Opløsninger adskilles med en porøs afstandsholder for at forhindre blanding, men skal være i kontakt.
Hvis kredsløbet er lukket, oxideres overfladelaget af zink. I processen med interaktion med væsken opstår zinkatomer, der er blevet til ioner, i opløsningen. Elektroner frigives på elektroden, som kan deltage i genereringen af strøm.
Når man kommer til kobberelektroden, deltager elektronerne i reduktionsreaktionen. Fraopløsning kommer kobberioner ind i overfladelaget, i reduktionsprocessen bliver de til kobberatomer, der aflejres på kobberpladen.
For at opsummere, hvad der sker: Processen med drift af en galvanisk celle er ledsaget af overførsel af elektroner fra reduktionsmidlet til oxidationsmidlet langs den ydre del af kredsløbet. Reaktioner finder sted på begge elektroder. En ionstrøm flyder inde i kilden.
Svære ved at bruge
I princippet kan enhver af de mulige redoxreaktioner bruges i batterier. Men der er ikke så mange stoffer, der er i stand til at arbejde i teknisk værdifulde elementer. Desuden kræver mange reaktioner dyre stoffer.
Moderne batterier har en enklere struktur. To elektroder placeret i en elektrolyt fylder beholderen - batterikassen. Sådanne designfunktioner forenkler strukturen og reducerer omkostningerne ved batterier.
Enhver galvanisk celle er i stand til at producere jævnstrøm.
Modstanden af strømmen tillader ikke alle ionerne at være på elektroderne på samme tid, så elementet fungerer i lang tid. Kemiske reaktioner ved iondannelse stopper før eller siden, grundstoffet udledes.
Den interne modstand af en strømkilde er vigtig.
Lidt om modstand
Brugen af elektrisk strøm bragte uden tvivl videnskabelige og teknologiske fremskridt til et nyt niveau og gav ham et kæmpe løft. Men modstandskraften mod strømmen er i vejen for en sådan udvikling.
På den ene side har elektrisk strøm uvurderlige egenskaber, der bruges i hverdagen og teknologien, på den anden side er der en betydelig modstand. Fysik, som en naturvidenskab, forsøger at finde en balance for at bringe disse omstændigheder i overensstemmelse.
Strømmodstand opstår på grund af interaktionen mellem elektrisk ladede partikler og det stof, som de bevæger sig igennem. Det er umuligt at udelukke denne proces under normale temperaturforhold.
Modstand
Den indre modstand af strømkilden og modstanden af den eksterne del af kredsløbet er af en lidt forskellig karakter, men det samme i disse processer er arbejdet med at flytte ladningen.
Selve arbejdet afhænger kun af kildens egenskaber og dens indhold: elektrodernes og elektrolyttens kvaliteter såvel som for de eksterne dele af kredsløbet, hvis modstand afhænger af de geometriske parametre og kemikalier materialets egenskaber. For eksempel stiger modstanden af en met altråd med en stigning i dens længde og falder med en udvidelse af tværsnitsarealet. Når man løser problemet med, hvordan man reducerer modstand, anbefaler fysikken at bruge specialiserede materialer.
Arbejdsaktuelt
I overensstemmelse med Joule-Lenz-loven er mængden af frigivet varme i ledere proportional med modstanden. Hvis vi angiver mængden af varme som Qint., styrken af strømmen I, tidspunktet for dens flow t, får vi:
Qint=I2 · r t,
hvor r er kildens indre modstandaktuelle.
I hele kredsløbet, inklusive både dets interne og eksterne dele, vil den samlede mængde varme blive frigivet, hvis formel er:
Qfull=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Det er kendt, hvordan modstand betegnes i fysik: et eksternt kredsløb (alle elementer undtagen kilden) har modstand R.
Ohms lov for et komplet kredsløb
Tag i betragtning, at hovedarbejdet udføres af eksterne kræfter inde i den aktuelle kilde. Dens værdi er lig med produktet af ladningen båret af feltet og kildens elektromotoriske kraft:
q E=I2 (r + R) t.
ved at indse, at ladningen er lig med produktet af strømstyrken og tidspunktet for dens flow, har vi:
E=I (r + R)
Ifølge årsag-virkning-forhold har Ohms lov formen:
I=E: (r + R)
Strømmen i et lukket kredsløb er direkte proportional med strømkildens EMF og omvendt proportional med kredsløbets totale (totale) modstand.
Baseret på dette mønster er det muligt at bestemme den aktuelle kildes interne modstand.
Kildeafledningskapacitet
Afladningskapacitet kan også tilskrives kildernes hovedkarakteristika. Den maksimale mængde elektricitet, der kan opnås ved drift under visse forhold, afhænger af styrken af afladningsstrømmen.
I det ideelle tilfælde, når der foretages visse tilnærmelser, kan afladningskapaciteten betragtes som konstant.
KFor eksempel har et standardbatteri med en potentialforskel på 1,5 V en afladningskapacitet på 0,5 Ah. Hvis afladningsstrømmen er 100mA, virker den i 5 timer.
Metoder til opladning af batterier
Udnyttelse af batterier fører til deres afladning. Restaurering af batterier, opladning af små celler udføres ved hjælp af en strøm, hvis styrkeværdi ikke overstiger en tiendedel af kildekapaciteten.
Følgende opladningsmetoder er tilgængelige:
- bruger konstant strøm i et bestemt tidsrum (ca. 16 timer strøm 0,1 batterikapacitet);
- opladning med en nedgangsstrøm til en forudbestemt potentialforskelværdi;
- brug af ubalancerede strømme;
- successiv anvendelse af korte opladnings- og afladningsimpulser, hvor tiden for den første overstiger tiden for den anden.
Praktisk arbejde
Opgaven foreslås: at bestemme den interne modstand af den aktuelle kilde og EMF.
For at udføre det skal du have en strømkilde, et amperemeter, et voltmeter, en skyder-rheostat, en nøgle, et sæt ledere.
Brug af Ohms lov for et lukket kredsløb vil bestemme den interne modstand af strømkilden. For at gøre dette skal du kende dens EMF, værdien af rheostatens modstand.
Beregningsformlen for strømmodstanden i den ydre del af kredsløbet kan bestemmes ud fra Ohms lov for kredsløbssektionen:
I=U: R,
hvor I er strømstyrken i den ydre del af kredsløbet, målt med et amperemeter; U - spænding på det eksternemodstand.
For at forbedre nøjagtigheden tages målinger mindst 5 gange. Hvad er det for? Spændingen, modstanden, strømmen (eller rettere, strømstyrken) målt under eksperimentet er brugt nedenfor.
For at bestemme EMF for den aktuelle kilde bruger vi det faktum, at spændingen ved dens terminaler med nøglen åben er næsten lig med EMF.
Lad os samle et kredsløb fra et batteri, en rheostat, et amperemeter, en nøgle forbundet i serie. Vi forbinder et voltmeter til terminalerne på strømkilden. Efter at have åbnet nøglen, tager vi dens aflæsninger.
Intern modstand, hvis formel er opnået fra Ohms lov for et komplet kredsløb, bestemmes ved matematiske beregninger:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Målinger viser, at den indre modstand er meget mindre end den ydre.
Den praktiske funktion af genopladelige batterier og batterier er meget brugt. Den uomtvistelige miljøsikkerhed ved elektriske motorer er uden tvivl, men at skabe et rummeligt, ergonomisk batteri er et problem i moderne fysik. Dens løsning vil føre til en ny runde i udviklingen af bilteknologi.
Små, lette batterier med høj kapacitet er også vigtige i mobile elektroniske enheder. Mængden af energi, der bruges i dem, er direkte relateret til enhedernes ydeevne.
