Elektrisk strøm i lederen oppstår under påvirkning av et elektrisk felt, og tvinger gratis ladede partikler til å komme i rettet bevegelse. Å lage en partikkelstrøm er et alvorlig problem. Å bygge en slik enhet som vil opprettholde den potensielle forskjellen i feltet i lang tid i én stat er en oppgave som menneskeheten kunne løse først på slutten av 1700-tallet.
Første forsøk
De første forsøkene på å "akkumulere elektrisitet" for videre forskning og bruk ble gjort i Holland. Tyskeren Ewald Jurgen von Kleist og nederlenderen Peter van Muschenbrook, som forsket i byen Leiden, skapte verdens første kondensator, senere k alt «Leyden-krukken».
Akkumuleringen av elektrisk ladning har allerede funnet sted under påvirkning av mekanisk friksjon. Det var mulig å bruke en utladning gjennom en leder for en viss, ganske kort, tidsperiode.
Det menneskelige sinnets seier over et så flyktig stoff som elektrisitet viste seg å være revolusjonerende.
Uheldigvis utlading (elektrisk strøm generert av en kondensator)varte så kort at den ikke kunne skape likestrøm. I tillegg reduseres spenningen som leveres av kondensatoren gradvis, noe som gjør det umulig å motta en kontinuerlig strøm.
Jeg burde ha sett etter en annen måte.
Førstekilde
Italian Galvanis eksperimenter med "dyreelektrisitet" var et origin alt forsøk på å finne en naturlig strømkilde i naturen. Han hengte bena til dissekerte frosker på metallkroker i et jerngitter, og trakk oppmerksomheten til den karakteristiske reaksjonen til nerveender.
En annen italiener, Alessandro Volta, tilbakeviste imidlertid Galvanis konklusjoner. Interessert i muligheten for å få elektrisitet fra dyreorganismer, utførte han en serie eksperimenter med frosker. Men konklusjonen hans viste seg å være den fullstendige motsatte av de tidligere hypotesene.
Volta gjorde oppmerksom på at en levende organisme bare er en indikator på en elektrisk utladning. Når strømmen går, trekker musklene i bena seg sammen, noe som indikerer en potensiell forskjell. Kilden til det elektriske feltet var kontakten av forskjellige metaller. Jo lenger fra hverandre de er i en rekke kjemiske elementer, desto større blir effekten.
Plater av forskjellige metaller, lagt med papirskiver dynket i en elektrolyttløsning, skapte den nødvendige potensialforskjellen i lang tid. Og la den være lav (1,1 V), men den elektriske strømmen kunne undersøkes i lang tid. Hovedsaken er at spenningen holdt seg uendret like lenge.
Hva skjer
Hvorfor forårsaker kilder k alt "galvaniske celler" en slik effekt?
To metallelektroder plassert i et dielektrikum spiller forskjellige roller. Den ene leverer elektroner, den andre aksepterer dem. Redoksreaksjonsprosessen fører til at det vises et overskudd av elektroner på en elektrode, som kalles den negative polen, og en mangel på den andre, vi vil betegne den som den positive polen til kilden.
I de enkleste galvaniske cellene skjer det oksidative reaksjoner på den ene elektrode, og reduksjonsreaksjoner på den andre. Elektroner kommer til elektrodene fra utsiden av kretsen. Elektrolytten er strømlederen til ionene inne i kilden. Motstandens styrke styrer varigheten av prosessen.
Kobber-sinkelement
Prinsippet for drift av galvaniske celler er interessant å vurdere å bruke eksemplet med en kobber-sink galvanisk celle, hvis virkning skyldes energien til sink og kobbersulfat. I denne kilden plasseres en kobberplate i en kobbersulfatløsning, og en sinkelektrode nedsenkes i en sinksulfatløsning. Løsningene separeres med et porøst avstandsstykke for å forhindre blanding, men må være i kontakt.
Hvis kretsen er lukket, oksideres overflatelaget av sink. I prosessen med interaksjon med væsken, vises sinkatomer, som har blitt til ioner, i løsningen. Elektroner frigjøres på elektroden, som kan ta del i genereringen av strøm.
Når man kommer til kobberelektroden, deltar elektronene i reduksjonsreaksjonen. Fraløsning kommer kobberioner inn i overflatelaget, i reduksjonsprosessen blir de til kobberatomer, avsettes på kobberplaten.
For å oppsummere hva som skjer: prosessen med drift av en galvanisk celle er ledsaget av overføring av elektroner fra reduksjonsmidlet til oksidasjonsmidlet langs den ytre delen av kretsen. Reaksjoner finner sted på begge elektrodene. En ionestrøm flyter inne i kilden.
Vanskelig med bruk
I prinsippet kan alle mulige redoksreaksjoner brukes i batterier. Men det er ikke så mange stoffer som er i stand til å virke i teknisk verdifulle elementer. Dessuten krever mange reaksjoner dyre stoffer.
Moderne batterier har en enklere struktur. To elektroder plassert i en elektrolytt fyller karet - batterihuset. Slike designfunksjoner forenkler strukturen og reduserer kostnadene for batterier.
Enhver galvanisk celle er i stand til å produsere likestrøm.
Motstanden til strømmen tillater ikke alle ionene å være på elektrodene samtidig, så elementet fungerer lenge. Kjemiske reaksjoner av ionedannelse stopper før eller siden, grunnstoffet slippes ut.
Den interne motstanden til en strømkilde er viktig.
Litt om motstand
Bruken av elektrisk strøm brakte uten tvil vitenskapelig og teknologisk fremgang til et nytt nivå, ga ham et gigantisk løft. Men motstandskraften mot strømmen kommer i veien for en slik utvikling.
På den ene siden har elektrisk strøm uvurderlige egenskaper brukt i hverdagsliv og teknologi, på den andre siden er det betydelig motstand. Fysikk, som en naturvitenskap, prøver å finne en balanse, for å bringe disse omstendighetene i samsvar.
Strømmotstand oppstår på grunn av samspillet mellom elektrisk ladede partikler og stoffet de beveger seg gjennom. Det er umulig å utelukke denne prosessen under normale temperaturforhold.
Resistance
Den indre motstanden til strømkilden og motstanden til den eksterne delen av kretsen er av litt forskjellig karakter, men det samme i disse prosessene er arbeidet som gjøres for å flytte ladningen.
Selve arbeidet avhenger bare av egenskapene til kilden og dens innhold: egenskapene til elektrodene og elektrolytten, så vel som for de eksterne delene av kretsen, hvis motstand avhenger av de geometriske parameterne og kjemiske stoffer egenskapene til materialet. For eksempel øker motstanden til en metalltråd med en økning i lengden og avtar med en utvidelse av tverrsnittsarealet. Når man løser problemet med hvordan man reduserer motstand, anbefaler fysikk å bruke spesialiserte materialer.
Jobb nå
I samsvar med Joule-Lenz-loven er mengden varme som frigjøres i ledere proporsjonal med motstanden. Hvis vi angir varmemengden som Qint., styrken til strømmen I, tiden for dens flyt t, får vi:
Qint=I2 · r t,
der r er den indre motstanden til kildengjeldende.
I hele kretsen, inkludert både interne og eksterne deler, vil den totale mengden varme frigjøres, hvis formel er:
Qfull=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Det er kjent hvordan motstand betegnes i fysikk: en ekstern krets (alle elementer unntatt kilden) har motstand R.
Ohms lov for en komplett krets
Ta i betraktning at hovedarbeidet gjøres av eksterne krefter inne i den aktuelle kilden. Verdien er lik produktet av ladningen som bæres av feltet og den elektromotoriske kraften til kilden:
q E=I2 (r + R) t.
ved å innse at ladningen er lik produktet av strømstyrken og tiden for dens flyt, har vi:
E=I (r + R)
I henhold til årsak-og-virkning-forhold har Ohms lov formen:
I=E: (r + R)
Strømmen i en lukket krets er direkte proporsjonal med EMF til strømkilden og omvendt proporsjonal med den totale (totale) motstanden til kretsen.
Basert på dette mønsteret er det mulig å bestemme den interne motstanden til gjeldende kilde.
Kildeutladningskapasitet
Utløpskapasitet kan også tilskrives hovedkarakteristikkene til kildene. Den maksimale mengden elektrisitet som kan oppnås ved drift under visse forhold avhenger av styrken til utladningsstrømmen.
I det ideelle tilfellet, når visse tilnærminger gjøres, kan utslippskapasiteten betraktes som konstant.
KFor eksempel har et standardbatteri med en potensialforskjell på 1,5 V en utladningskapasitet på 0,5 Ah. Hvis utladningsstrømmen er 100mA, fungerer den i 5 timer.
Metoder for å lade batterier
Utnyttelse av batterier fører til utlading. Restaurering av batterier, lading av små celler utføres ved bruk av en strøm hvis styrkeverdi ikke overstiger en tidel av kildekapasiteten.
Følgende lademetoder er tilgjengelige:
- bruker konstant strøm i en spesifisert tid (ca. 16 timer strøm 0,1 batterikapasitet);
- lader med en nedtrappingsstrøm til en forhåndsbestemt potensiell differanseverdi;
- bruk av ubalanserte strømmer;
- påfølgende påføring av korte pulser for lading og utlading, der tiden for den første overskrider tiden for den andre.
Praktisk arbeid
Oppgaven er foreslått: å bestemme den interne motstanden til gjeldende kilde og EMF.
For å utføre det, må du fylle på med en strømkilde, et amperemeter, et voltmeter, en skyvereostat, en nøkkel, et sett med ledere.
Å bruke Ohms lov for en lukket krets vil bestemme den interne motstanden til strømkilden. For å gjøre dette må du kjenne dens EMF, verdien av motstanden til reostaten.
Beregningsformelen for strømmotstanden i den ytre delen av kretsen kan bestemmes fra Ohms lov for kretsdelen:
I=U: R,
hvor I er strømstyrken i den ytre delen av kretsen, målt med et amperemeter; U - spenning på utsidenmotstand.
For å forbedre nøyaktigheten tas målinger minst 5 ganger. Hva er den til? Spenningen, motstanden, strømmen (eller rettere sagt, strømstyrken) målt under eksperimentet brukes nedenfor.
For å bestemme EMF for strømkilden bruker vi det faktum at spenningen på terminalene med nøkkelen åpen er nesten lik EMF.
La oss sette sammen en krets fra et batteri, en reostat, et amperemeter, en nøkkel koblet i serie. Vi kobler et voltmeter til terminalene til strømkilden. Etter å ha åpnet nøkkelen tar vi avlesningene.
Intern motstand, hvis formel er hentet fra Ohms lov for en komplett krets, bestemmes av matematiske beregninger:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Målinger viser at den indre motstanden er mye mindre enn den ytre.
Den praktiske funksjonen til oppladbare batterier og batterier er mye brukt. Den udiskutable miljøsikkerheten til elektriske motorer er hevet over tvil, men å skape et romslig, ergonomisk batteri er et problem i moderne fysikk. Løsningen vil føre til en ny runde i utviklingen av bilteknologi.
Små, lette batterier med høy kapasitet er også viktige i mobile elektroniske enheter. Mengden energi som brukes i dem er direkte relatert til ytelsen til enhetene.
