Elektrický proud ve vodiči vzniká vlivem elektrického pole, které nutí volné nabité částice, aby se dostaly do řízeného pohybu. Vytvoření proudu částic je vážný problém. Postavit takové zařízení, které udrží potenciálový rozdíl pole po dlouhou dobu v jednom stavu, je úkol, který lidstvo dokázalo vyřešit až do konce 18. století.
První pokusy
První pokusy o „akumulaci elektřiny“pro její další výzkum a využití byly provedeny v Holandsku. Němec Ewald Jurgen von Kleist a Nizozemec Peter van Muschenbrook, kteří prováděli svůj výzkum ve městě Leiden, vytvořili první kondenzátor na světě, později nazvaný „Leyden jar“.
Akumulace elektrického náboje již proběhla působením mechanického tření. Bylo možné použít výboj vodičem po určitou, spíše krátkou dobu.
Vítězství lidské mysli nad tak pomíjivou substancí, jako je elektřina, se ukázalo být revolučním.
Bohužel, výboj (elektrický proud generovaný kondenzátorem)trval tak krátce, že nemohl vytvořit stejnosměrný proud. Kromě toho se napětí dodávané kondenzátorem postupně snižuje, což znemožňuje příjem trvalého proudu.
Měl jsem hledat jiný způsob.
První zdroj
Experimenty „živočišné elektřiny“Itala Galvaniho byly originálním pokusem najít přirozený zdroj proudu v přírodě. Zavěšením nohou preparovaných žab na kovové háčky železné mříže upozornil na charakteristickou reakci nervových zakončení.
Další Ital, Alessandro Volta, však Galvaniho závěry vyvrátil. Zajímal se o možnost získávání elektřiny z živočišných organismů, provedl sérii pokusů se žábami. Ale jeho závěr se ukázal jako úplný opak předchozích hypotéz.
Volta upozornil na skutečnost, že živý organismus je pouze indikátorem elektrického výboje. Když proud projde, svaly nohou se stahují, což ukazuje na potenciální rozdíl. Zdrojem elektrického pole byl kontakt nepodobných kovů. Čím dále jsou od sebe v řadě chemických prvků, tím větší je účinek.
Desky z nepodobných kovů, položené s papírovými disky namočenými v roztoku elektrolytu, vytvářely na dlouhou dobu potřebný potenciálový rozdíl. A nechť je málo (1,1 V), ale elektrický proud by se dal zkoumat dlouho. Hlavní věc je, že napětí zůstalo nezměněno stejně dlouho.
Co se děje
Proč zdroje zvané „galvanické články“způsobují takový efekt?
Dvě kovové elektrody umístěné v dielektriku hrají různé role. Jeden dodává elektrony, druhý je přijímá. Proces redoxní reakce vede k výskytu přebytku elektronů na jedné elektrodě, která se nazývá záporný pól, a nedostatku na druhém, označíme jej jako kladný pól zdroje.
V nejjednodušších galvanických článcích probíhají oxidační reakce na jedné elektrodě a redukční reakce na druhé. Elektrony přicházejí k elektrodám z vnějšku obvodu. Elektrolyt je proudový vodič iontů uvnitř zdroje. Síla odporu určuje dobu trvání procesu.
Prvek měď-zinek
Princip činnosti galvanických článků je zajímavé zvážit na příkladu měděno-zinkového galvanického článku, jehož působení je způsobeno energií zinku a síranu měďnatého. V tomto zdroji je měděná deska umístěna v roztoku síranu měďnatého a zinková elektroda je ponořena do roztoku síranu zinečnatého. Roztoky jsou odděleny porézní distanční vložkou, aby se zabránilo smíchání, ale musí být v kontaktu.
Pokud je okruh uzavřen, povrchová vrstva zinku je oxidována. V procesu interakce s kapalinou se v roztoku objevují atomy zinku, které se změnily na ionty. Na elektrodě se uvolňují elektrony, které se mohou podílet na generování proudu.
Když se elektrony dostanou k měděné elektrodě, účastní se redukční reakce. Zroztoku, ionty mědi vstupují do povrchové vrstvy, v procesu redukce se mění na atomy mědi a ukládají se na měděné desce.
Shrneme-li, co se děje: proces činnosti galvanického článku je doprovázen přenosem elektronů z redukčního činidla do oxidačního činidla podél vnější části obvodu. Reakce probíhají na obou elektrodách. Uvnitř zdroje protéká iontový proud.
Obtížnost použití
V bateriích lze v zásadě použít jakoukoli z možných redoxních reakcí. Ale není tolik látek schopných pracovat v technicky cenných prvcích. Navíc mnoho reakcí vyžaduje drahé látky.
Moderní baterie mají jednodušší strukturu. Dvě elektrody umístěné v jednom elektrolytu naplní nádobu - pouzdro baterie. Takové konstrukční prvky zjednodušují strukturu a snižují náklady na baterie.
Jakýkoli galvanický článek je schopen produkovat stejnosměrný proud.
Odpor proudu neumožňuje, aby byly všechny ionty na elektrodách současně, takže prvek funguje dlouho. Chemické reakce tvorby iontů dříve nebo později ustanou, prvek se vybije.
Vnitřní odpor zdroje proudu je důležitý.
Něco o odporu
Použití elektrického proudu bezpochyby posunulo vědecký a technologický pokrok na novou úroveň a dodalo mu obrovskou podporu. Ale síla odporu vůči toku proudu stojí v cestě takovému vývoji.
Elektrický proud má na jedné straně neocenitelné vlastnosti používané v každodenním životě a technice, na druhé straně existuje značný odpor. Fyzika jako věda o přírodě se snaží najít rovnováhu, uvést tyto okolnosti do souladu.
Proudový odpor vzniká v důsledku interakce elektricky nabitých částic s látkou, kterou se pohybují. Za normálních teplotních podmínek není možné tento proces vyloučit.
Odpor
Vnitřní odpor zdroje proudu a odpor vnější části obvodu jsou mírně odlišné povahy, ale stejná v těchto procesech je práce vykonaná pro pohyb náboje.
Samotná práce závisí pouze na vlastnostech zdroje a jeho obsahu: kvalitách elektrod a elektrolytu a také na vnějších částech obvodu, jejichž odpor závisí na geometrických parametrech a chemických vlastnostech vlastnosti materiálu. Například odpor kovového drátu roste se zvětšováním jeho délky a klesá s rozšiřováním plochy průřezu. Při řešení problému, jak snížit odpor, fyzika doporučuje používat specializované materiály.
Pracovní aktuální
V souladu se zákonem Joule-Lenz je množství tepla uvolněného ve vodičích úměrné odporu. Označíme-li množství tepla jako Qint., sílu proudu I, dobu jeho průtoku t, pak dostaneme:
Qint=I2 · r t,
kde r je vnitřní odpor zdrojeaktuální.
V celém okruhu, včetně jeho vnitřní i vnější části, se uvolní celkové množství tepla, jehož vzorec je:
Qfull=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Je známo, jak se ve fyzice označuje odpor: vnější obvod (všechny prvky kromě zdroje) má odpor R.
Ohmův zákon pro úplný obvod
Vezměte v úvahu, že hlavní práci vykonávají vnější síly uvnitř zdroje proudu. Jeho hodnota se rovná součinu náboje neseného polem a elektromotorické síly zdroje:
q E=I2 (r + R) t.
uvědomujeme si, že náboj se rovná součinu síly proudu a doby jeho toku, máme:
E=I (r + R)
Podle vztahů příčina-následek má Ohmův zákon tvar:
I=E: (r + R)
Proud v uzavřeném okruhu je přímo úměrný EMF zdroje proudu a nepřímo úměrný celkovému (celkovému) odporu okruhu.
Na základě tohoto vzoru je možné určit vnitřní odpor zdroje proudu.
Výbojová kapacita zdroje
Vybíjecí kapacitu lze také přičíst hlavním charakteristikám zdrojů. Maximální množství elektřiny, které lze získat při provozu za určitých podmínek, závisí na síle vybíjecího proudu.
V ideálním případě, když jsou provedeny určité aproximace, lze kapacitu vybíjení považovat za konstantní.
KNapříklad standardní baterie s rozdílem potenciálů 1,5 V má vybíjecí kapacitu 0,5 Ah. Pokud je vybíjecí proud 100 mA, funguje po dobu 5 hodin.
Metody pro nabíjení baterií
Využití baterií vede k jejich vybití. Obnova baterií, nabíjení malých článků se provádí proudem, jehož síla nepřesahuje desetinu kapacity zdroje.
K dispozici jsou následující způsoby nabíjení:
- používá konstantní proud po stanovenou dobu (asi 16 hodin proudu 0,1 kapacity baterie);
- nabíjení klesajícím proudem na předem stanovenou hodnotu rozdílu potenciálu;
- použití nevyvážených proudů;
- postupná aplikace krátkých pulzů nabíjení a vybíjení, kdy čas prvního překročí čas druhého.
Praktická práce
Úkol je navržen: určit vnitřní odpor zdroje proudu a EMF.
Abyste to mohli provést, musíte se zásobit zdrojem proudu, ampérmetrem, voltmetrem, posuvným reostatem, klíčem, sadou vodičů.
Použití Ohmova zákona pro uzavřený obvod určí vnitřní odpor zdroje proudu. K tomu potřebujete znát jeho EMF, hodnotu odporu reostatu.
Výpočtový vzorec pro proudový odpor ve vnější části obvodu lze určit z Ohmova zákona pro sekci obvodu:
I=U: R,
kde I je síla proudu ve vnější části obvodu, měřená ampérmetrem; U - napětí na vnějšímodpor.
Pro zlepšení přesnosti se měření provádějí alespoň 5krát. K čemu to je? Napětí, odpor, proud (nebo spíše síla proudu) naměřené během experimentu jsou použity níže.
K určení EMF zdroje proudu používáme skutečnost, že napětí na jeho svorkách při otevřeném klíči je téměř stejné jako EMF.
Pojďme sestavit obvod z baterie, reostatu, ampérmetru, klíče zapojených do série. Na svorky zdroje proudu připojíme voltmetr. Po otevření klíče provedeme jeho čtení.
Vnitřní odpor, jehož vzorec je získán z Ohmova zákona pro úplný obvod, je určen matematickými výpočty:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Měření ukazují, že vnitřní odpor je mnohem menší než vnější.
Praktická funkce dobíjecích baterií a baterií je široce používána. Nesporná ekologická bezpečnost elektromotorů je nepochybná, ale vytvoření prostorné, ergonomické baterie je problémem moderní fyziky. Jeho řešení povede k novému kolu ve vývoji automobilové techniky.
Malé, lehké, vysokokapacitní baterie jsou také nezbytné v mobilních elektronických zařízeních. Množství energie použité v nich přímo souvisí s výkonem zařízení.
