Električna struja u provodniku nastaje pod uticajem električnog polja, prisiljavajući slobodne naelektrisane čestice da dođu u usmereno kretanje. Stvaranje struje čestica je ozbiljan problem. Izgraditi takav uređaj koji će zadržati potencijalnu razliku polja dugo vremena u jednom stanju zadatak je koji je čovječanstvo moglo riješiti tek do kraja 18. stoljeća.
Prvi pokušaji
Prvi pokušaji da se "akumulira električna energija" za njeno dalje istraživanje i upotrebu napravljeni su u Holandiji. Nemac Ewald Jurgen von Kleist i Holanđanin Peter van Muschenbrook, koji su svoje istraživanje sproveli u gradu Leidenu, stvorili su prvi kondenzator na svijetu, kasnije nazvan "Leyden jar".
Akumulacija električnog naboja se već dogodila pod dejstvom mehaničkog trenja. Bilo je moguće koristiti pražnjenje kroz provodnik u određenom, prilično kratkom vremenskom periodu.
Pobjeda ljudskog uma nad tako efemernom supstancom kao što je elektricitet pokazala se revolucionarnom.
Nažalost, pražnjenje (električna struja koju stvara kondenzator)trajao tako kratko da nije mogao stvoriti jednosmjernu struju. Osim toga, napon koji dovodi kondenzator postepeno se smanjuje, što onemogućava primanje kontinuirane struje.
Trebao sam potražiti drugi način.
Prvi izvor
Eksperimenti italijanskog Galvanija sa "životinjskim elektricitetom" bili su originalni pokušaj pronalaženja prirodnog izvora struje u prirodi. Okačivši noge seciranih žaba na metalne kuke gvozdene rešetke, skrenuo je pažnju na karakterističnu reakciju nervnih završetaka.
Međutim, drugi Italijan, Alessandro Volta, opovrgao je Galvanijeve zaključke. Zainteresiran za mogućnost dobivanja električne energije iz životinjskih organizama, proveo je niz eksperimenata sa žabama. Ali njegov zaključak se pokazao potpuno suprotnim od prethodnih hipoteza.
Volta je skrenula pažnju na činjenicu da je živi organizam samo pokazatelj električnog pražnjenja. Kada struja prođe, mišići nogu se skupljaju, što ukazuje na potencijalnu razliku. Izvor električnog polja bio je kontakt različitih metala. Što su udaljeniji u nizu hemijskih elemenata, to je veći efekat.
Ploče od različitih metala, položene papirnim diskovima natopljenim rastvorom elektrolita, stvarale su potrebnu potencijalnu razliku dugo vremena. I neka je niska (1,1 V), ali električna struja bi se mogla dugo istraživati. Glavna stvar je da je napon ostao nepromijenjen isto toliko.
Šta se dešava
Zašto izvori koji se nazivaju "galvanske ćelije" izazivaju takav efekat?
Dvije metalne elektrode smještene u dielektriku igraju različite uloge. Jedan isporučuje elektrone, drugi ih prihvata. Proces redoks reakcije dovodi do pojave viška elektrona na jednoj elektrodi, koja se zove negativni pol, a manjka na drugoj, označićemo je kao pozitivan pol izvora.
U najjednostavnijim galvanskim ćelijama, oksidativne reakcije se javljaju na jednoj elektrodi, a redukcijske reakcije na drugoj. Elektroni dolaze do elektroda sa vanjske strane kola. Elektrolit je strujni provodnik jona unutar izvora. Snaga otpora određuje trajanje procesa.
Bakar-cink element
Princip rada galvanskih ćelija zanimljivo je razmotriti na primjeru bakar-cink galvanske ćelije, čije djelovanje je posljedica energije cinka i bakar sulfata. U ovom izvoru bakrena ploča se stavlja u rastvor bakar sulfata, a cinkova elektroda je uronjena u rastvor cink sulfata. Otopine su odvojene poroznim odstojnikom kako bi se spriječilo miješanje, ali moraju biti u kontaktu.
Ako je krug zatvoren, površinski sloj cinka je oksidiran. U procesu interakcije s tekućinom, atomi cinka, koji se pretvaraju u ione, pojavljuju se u otopini. Na elektrodi se oslobađaju elektroni koji mogu učestvovati u stvaranju struje.
Dolazeći do bakarne elektrode, elektroni učestvuju u reakciji redukcije. Odrastvora, joni bakra ulaze u površinski sloj, u procesu redukcije se pretvaraju u atome bakra, taložeći se na bakarnoj ploči.
Da rezimiramo ono što se dešava: proces rada galvanske ćelije je praćen prijenosom elektrona od redukcionog sredstva do oksidacijskog sredstva duž vanjskog dijela kola. Reakcije se odvijaju na obje elektrode. Jonska struja teče unutar izvora.
Poteškoće u korištenju
U principu, bilo koja od mogućih redoks reakcija može se koristiti u baterijama. Ali nema toliko tvari koje mogu djelovati u tehnički vrijednim elementima. Štaviše, mnoge reakcije zahtijevaju skupe supstance.
Moderne baterije imaju jednostavniju strukturu. Dvije elektrode postavljene u jedan elektrolit pune posudu - kućište baterije. Takve karakteristike dizajna pojednostavljuju strukturu i smanjuju troškove baterija.
Bilo koja galvanska ćelija je sposobna proizvesti jednosmjernu struju.
Otpor struje ne dozvoljava da svi joni budu istovremeno na elektrodama, tako da element radi dugo vremena. Hemijske reakcije stvaranja jona prije ili kasnije prestaju, element se isprazni.
Unutrašnji otpor izvora struje je važan.
Malo o otporu
Upotreba električne struje je, bez sumnje, dovela naučni i tehnološki napredak na novi nivo, dala mu ogroman podsticaj. Ali sila otpora protoku struje ometa takav razvoj.
S jedne strane, električna struja ima neprocjenjiva svojstva koja se koriste u svakodnevnom životu i tehnologiji, s druge strane postoji značajna opozicija. Fizika, kao nauka o prirodi, pokušava da uspostavi ravnotežu, da te okolnosti uskladi.
Strujni otpor nastaje zbog interakcije električno nabijenih čestica sa supstancom kroz koju se kreću. Nemoguće je isključiti ovaj proces pod normalnim temperaturnim uslovima.
Otpor
Unutarnji otpor izvora struje i otpor vanjskog dijela kola su malo drugačije prirode, ali isti je u ovim procesima rad na pomjeranju naboja.
Sam rad zavisi samo od svojstava izvora i njegovog sadržaja: kvaliteta elektroda i elektrolita, kao i od spoljašnjih delova kola čiji otpor zavisi od geometrijskih parametara i hemikalije karakteristike materijala. Na primjer, otpor metalne žice raste s povećanjem njezine dužine i smanjuje se s proširenjem površine poprečnog presjeka. Prilikom rješavanja problema kako smanjiti otpor, fizika preporučuje korištenje specijalizovanih materijala.
Posao trenutno
U skladu sa Joule-Lenzovim zakonom, količina toplote koja se oslobađa u provodnicima je proporcionalna otporu. Ako količinu toplote označimo kao Qint., jačinu struje I, vrijeme njenog protoka t, dobijamo:
Qint=I2 · r t,
gde je r unutrašnji otpor izvoratrenutno.
U cijelom krugu, uključujući i njegove unutrašnje i vanjske dijelove, oslobodit će se ukupna količina topline čija je formula:
Qfull=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Poznato je kako se u fizici označava otpor: eksterno kolo (svi elementi osim izvora) ima otpor R.
Ohmov zakon za kompletno kolo
Uzmite u obzir da glavni posao obavljaju vanjske sile unutar izvora struje. Njegova vrijednost je jednaka umnošku naboja kojeg nosi polje i elektromotorne sile izvora:
q E=I2 (r + R) t.
shvativši da je naboj jednak proizvodu jačine struje i vremena njenog protoka, imamo:
E=I (r + R)
Prema uzročno-posledičnim vezama, Ohmov zakon ima oblik:
I=E: (r + R)
Struja u zatvorenom kolu je direktno proporcionalna EMF-u izvora struje i obrnuto proporcionalna ukupnom (ukupnom) otporu kola.
Na osnovu ovog uzorka, moguće je odrediti unutrašnji otpor izvora struje.
Kapacitet pražnjenja izvora
Kapacitet pražnjenja se takođe može pripisati glavnim karakteristikama izvora. Maksimalna količina električne energije koja se može dobiti pri radu pod određenim uslovima zavisi od jačine struje pražnjenja.
U idealnom slučaju, kada se naprave određene aproksimacije, kapacitet pražnjenja se može smatrati konstantnim.
KNa primjer, standardna baterija s potencijalnom razlikom od 1,5 V ima kapacitet pražnjenja od 0,5 Ah. Ako je struja pražnjenja 100mA, onda radi 5 sati.
Metode punjenja baterija
Eksploatacija baterija dovodi do njihovog pražnjenja. Obnavljanje baterija, punjenje malih ćelija vrši se pomoću struje čija vrijednost jačine ne prelazi jednu desetinu kapaciteta izvora.
Dostupne su sljedeće metode naplate:
- koristeći konstantnu struju za određeno vrijeme (oko 16 sati struja 0,1 kapacitet baterije);
- punjenje opadajućom strujom do unaprijed određene vrijednosti potencijalne razlike;
- upotreba neuravnoteženih struja;
- uzastopna primjena kratkih impulsa punjenja i pražnjenja, u kojoj vrijeme prvog premašuje vrijeme drugog.
Praktični rad
Predlaže se zadatak: odrediti unutrašnji otpor izvora struje i EMF-a.
Da biste to izvršili, morate nabaviti izvor struje, ampermetar, voltmetar, klizni reostat, ključ, set provodnika.
Upotreba Ohmovog zakona za zatvoreno kolo će odrediti unutrašnji otpor izvora struje. Da biste to učinili, morate znati njegov EMF, vrijednost otpora reostata.
Formula za proračun za strujni otpor u vanjskom dijelu kola može se odrediti iz Ohmovog zakona za dio kola:
I=U: R,
gdje je I jačina struje u vanjskom dijelu kola, mjerena ampermetrom; U - napon na eksternomotpor.
Da bi se poboljšala tačnost, mjerenja se vrše najmanje 5 puta. čemu služi? Napon, otpor, struja (tačnije, jačina struje) izmjereni tokom eksperimenta se koriste ispod.
Za određivanje EMF izvora struje koristimo činjenicu da je napon na njegovim terminalima sa otvorenim ključem skoro jednak EMF-u.
Sastavimo kolo od baterije, reostata, ampermetra, ključa spojenog u seriju. Priključujemo voltmetar na terminale izvora struje. Nakon otvaranja ključa, uzimamo njegova očitanja.
Unutarnji otpor, čija je formula dobijena iz Ohmovog zakona za kompletno kolo, određena je matematičkim proračunima:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Mjerenja pokazuju da je unutrašnji otpor mnogo manji od vanjskog.
Praktična funkcija punjivih baterija i baterija se široko koristi. Neosporna ekološka sigurnost elektromotora je nesumnjiva, ali stvaranje kapacitetne, ergonomske baterije problem je moderne fizike. Njegovo rješenje će dovesti do novog kruga u razvoju automobilske tehnologije.
Male, lagane baterije velikog kapaciteta su takođe neophodne u mobilnim elektronskim uređajima. Količina energije koja se u njima koristi direktno je povezana sa performansama uređaja.
