Електрическият ток в проводника възниква под въздействието на електрическо поле, принуждавайки свободните заредени частици да влязат в насочено движение. Създаването на ток на частици е сериозен проблем. Да се създаде такова устройство, което да поддържа потенциалната разлика на полето за дълго време в едно състояние, е задача, която човечеството би могло да реши едва до края на 18-ти век.
Първи опити
Първите опити за "натрупване на електричество" за по-нататъшното му изследване и използване са направени в Холандия. Германецът Евалд Юрген фон Клайст и холандецът Петер ван Мушенбрук, които проведоха изследванията си в град Лайден, създадоха първия в света кондензатор, по-късно наречен "Лейденски буркан".
Натрупването на електрически заряд вече е станало под действието на механично триене. Беше възможно да се използва разряд през проводник за определен, доста кратък период от време.
Победата на човешкия ум над такава ефимерна субстанция като електричеството се оказа революционна.
За съжаление, разряд (електрически ток, генериран от кондензатор)продължи толкова кратко, че не можеше да създаде постоянен ток. Освен това напрежението, подавано от кондензатора, постепенно намалява, което прави невъзможно получаването на непрекъснат ток.
Трябваше да потърся друг начин.
Първи източник
Експериментите на италианския Галвани с "животински електричество" бяха оригинален опит да се намери естествен източник на ток в природата. Окачвайки краката на разчленени жаби на метални куки на желязна решетка, той привлече вниманието към характерната реакция на нервните окончания.
Въпреки това, друг италианец, Алесандро Волта, опроверга заключенията на Галвани. Интересувайки се от възможността за получаване на електричество от животински организми, той провежда серия от експерименти с жаби. Но неговото заключение се оказа пълна противоположност на предишните хипотези.
Volta обърна внимание на факта, че живият организъм е само индикатор за електрически разряд. Когато токът премине, мускулите на краката се свиват, което показва потенциална разлика. Източникът на електрическото поле е контактът на различни метали. Колкото по-далеч са те в серия от химични елементи, толкова по-голям е ефектът.
Плочи от различни метали, положени с хартиени дискове, напоени с електролитен разтвор, създават необходимата потенциална разлика за дълго време. И нека е нисък (1,1 V), но електрическият ток може да се изследва дълго време. Основното е, че напрежението остава непроменено за толкова време.
Какво става
Защо източниците, наречени "галванични клетки", предизвикват такъв ефект?
Два метални електрода, поставени в диелектрик, играят различни роли. Единият доставя електрони, другият ги приема. Процесът на редокс реакция води до появата на излишък от електрони на единия електрод, който се нарича отрицателен полюс, и дефицит на втория, ще го обозначим като положителния полюс на източника.
В най-простите галванични клетки окислителните реакции протичат на единия електрод, а редукционните реакции протичат на другия. Електроните идват към електродите от външната страна на веригата. Електролитът е токовият проводник на йоните вътре в източника. Силата на съпротивлението определя продължителността на процеса.
Медно-цинков елемент
Принципът на действие на галваничните елементи е интересно да се разгледа с помощта на примера на медно-цинкова галванична клетка, чието действие се дължи на енергията на цинка и медния сулфат. В този източник медна плоча се поставя в разтвор на меден сулфат, а цинков електрод се потапя в разтвор на цинков сулфат. Разтворите са разделени с порест разделител, за да се предотврати смесването, но трябва да са в контакт.
Ако веригата е затворена, повърхностният слой цинк се окислява. В процеса на взаимодействие с течността в разтвора се появяват цинкови атоми, които се превръщат в йони. Върху електрода се освобождават електрони, които могат да участват в генерирането на ток.
Стигайки до медния електрод, електроните участват в реакцията на редукция. Отразтвор, медните йони навлизат в повърхностния слой, в процеса на редукция те се превръщат в медни атоми, отлагайки се върху медната плоча.
За да обобщим какво се случва: процесът на работа на галваничния елемент е придружен от прехвърляне на електрони от редуктор към окислител по външната част на веригата. Реакциите протичат и на двата електрода. Вътре в източника тече йонен ток.
Трудност при използване
По принцип всяка от възможните редокс реакции може да се използва в батериите. Но няма толкова много вещества, способни да работят в технически ценни елементи. Освен това много реакции изискват скъпи вещества.
Модерните батерии имат по-проста структура. Два електрода, поставени в един електролит, запълват съда - кутията на батерията. Такива конструктивни характеристики опростяват структурата и намаляват цената на батериите.
Всяка галванична клетка е способна да произвежда постоянен ток.
Съпротивлението на тока не позволява на всички йони да бъдат едновременно върху електродите, така че елементът работи дълго време. Химичните реакции на образуване на йони рано или късно спират, елементът се разрежда.
Вътрешното съпротивление на източника на ток е важно.
Малко за съпротивата
Използването на електрически ток без съмнение изведе научния и технологичен прогрес на ново ниво, даде му огромен тласък. Но силата на съпротива срещу протичането на тока пречи на такова развитие.
От една страна, електрическият ток има безценни свойства, използвани в ежедневието и технологиите, от друга страна има значителна опозиция. Физиката, като наука за природата, се опитва да намери баланс, да приведе тези обстоятелства в съответствие.
Съпротивление на ток възниква поради взаимодействието на електрически заредени частици с веществото, през което се движат. Невъзможно е да се изключи този процес при нормални температурни условия.
Съпротивление
Вътрешното съпротивление на източника на ток и съпротивлението на външната част на веригата са от малко по-различен характер, но същата в тези процеси е работата, извършена за преместване на заряда.
Самата работа зависи само от свойствата на източника и неговото съдържание: качествата на електродите и електролита, както и на външните части на веригата, чието съпротивление зависи от геометричните параметри и химичното вещество характеристики на материала. Например, съпротивлението на метална тел се увеличава с увеличаване на дължината и намалява с разширяване на площта на напречното сечение. При решаването на проблема как да се намали съпротивлението, физиката препоръчва използването на специализирани материали.
Работен ток
В съответствие със закона на Джоул-Ленц, количеството топлина, отделена в проводниците, е пропорционално на съпротивлението. Ако обозначим количеството топлина като Qint., силата на тока I, времето на неговия поток t, тогава получаваме:
Qint=I2 · r t,
където r е вътрешното съпротивление на източникатекущо.
В цялата верига, включително нейните вътрешни и външни части, ще се отдели общото количество топлина, чиято формула е:
Qfull=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Известно е как съпротивлението се обозначава във физиката: външна верига (всички елементи с изключение на източника) има съпротивление R.
Законът на Ом за пълна верига
Вземете предвид, че основната работа се извършва от външни сили вътре в източника на ток. Стойността му е равна на произведението на заряда, пренесен от полето, и електродвижещата сила на източника:
q E=I2 (r + R) t.
осъзнавайки, че зарядът е равен на произведението от силата на тока и времето на неговото протичане, имаме:
E=I (r + R)
Според причинно-следствените връзки законът на Ом има формата:
I=E: (r + R)
Токът в затворена верига е право пропорционален на EMF на източника на ток и обратно пропорционален на общото (общо) съпротивление на веригата.
Въз основа на този модел е възможно да се определи вътрешното съпротивление на източника на ток.
Капацитет за източване на източника
Капацитетът на разреждане също може да се отдаде на основните характеристики на източниците. Максималното количество електричество, което може да се получи при работа при определени условия, зависи от силата на разрядния ток.
В идеалния случай, когато се правят определени приблизителни стойности, капацитетът на разреждане може да се счита за постоянен.
KНапример стандартна батерия с потенциална разлика от 1,5 V има капацитет на разреждане от 0,5 Ah. Ако разрядният ток е 100 mA, той работи в продължение на 5 часа.
Методи за зареждане на батерии
Експлоатацията на батериите води до тяхното разреждане. Възстановяването на батериите, зареждането на малки клетки се извършва с помощта на ток, чиято сила не надвишава една десета от капацитета на източника.
Налични са следните методи за таксуване:
- използване на постоянен ток за определено време (около 16 часа ток 0,1 капацитет на батерията);
- зареждане с понижаващ ток до предварително определена стойност на потенциалната разлика;
- използване на небалансирани токове;
- последователно прилагане на кратки импулси на зареждане и разреждане, при което времето на първия надвишава времето на второто.
Практическа работа
Предлага се задачата: да се определи вътрешното съпротивление на източника на ток и ЕМП.
За да го изпълните, трябва да се запасите с източник на ток, амперметър, волтметър, плъзгащ реостат, ключ, набор от проводници.
Използването на закона на Ом за затворена верига ще определи вътрешното съпротивление на източника на ток. За да направите това, трябва да знаете неговата EMF, стойността на съпротивлението на реостата.
Формулата за изчисление на текущото съпротивление във външната част на веригата може да се определи от закона на Ом за секцията на веригата:
I=U: R,
където I е силата на тока във външната част на веригата, измерена с амперметър; U - напрежение на външнотосъпротивление.
За да се подобри точността, измерванията се правят поне 5 пъти. За какво е? Напрежението, съпротивлението, токът (или по-скоро силата на тока), измерени по време на експеримента, се използват по-долу.
За да определим EMF на източника на ток, използваме факта, че напрежението на неговите клеми с отворен ключ е почти равно на EMF.
Нека сглобим верига от батерия, реостат, амперметър, ключ, свързани последователно. Свързваме волтметър към клемите на източника на ток. След като отворим ключа, вземаме показанията му.
Вътрешно съпротивление, чиято формула се получава от закона на Ом за пълна верига, се определя чрез математически изчисления:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Измерванията показват, че вътрешното съпротивление е много по-малко от външното.
Практическата функция на акумулаторните батерии и батерии е широко използвана. Безспорната екологична безопасност на електрическите двигатели е извън съмнение, но създаването на вместима, ергономична батерия е проблем на съвременната физика. Неговото решение ще доведе до нов кръг в развитието на автомобилната технология.
Малки, леки батерии с голям капацитет също са от съществено значение в мобилните електронни устройства. Количеството енергия, използвано в тях, е пряко свързано с производителността на устройствата.
