Električna struja u vodiču nastaje pod utjecajem električnog polja, prisiljavajući slobodne nabijene čestice da dođu u usmjereno kretanje. Stvaranje struje čestica ozbiljan je 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 njezino daljnje istraživanje i korištenje napravljeni su u Nizozemskoj. Nijemac Ewald Jurgen von Kleist i Nizozemac Peter van Muschenbrook, koji su svoje istraživanje proveli u gradu Leidenu, stvorili su prvi kondenzator na svijetu, kasnije nazvan "Leyden jar".
Nakupljanje električnog naboja već se dogodilo pod djelovanjem mehaničkog trenja. Bilo je moguće koristiti pražnjenje kroz vodič za određeno, prilično kratko vrijeme.
Pobjeda ljudskog uma nad tako efemernom tvari kao što je elektricitet pokazala se revolucionarnom.
Nažalost, pražnjenje (električna struja koju stvara kondenzator)trajao tako kratko da nije mogao stvoriti istosmjernu struju. Osim toga, napon koji dovodi kondenzator postupno se smanjuje, što onemogućuje primanje kontinuirane struje.
Trebao sam potražiti drugi način.
Prvi izvor
Talijanski Galvanijevi eksperimenti sa "životinjskim elektricitetom" bili su originalni pokušaj pronalaženja prirodnog izvora struje u prirodi. Viseći noge seciranih žaba na metalne kuke željezne rešetke, skrenuo je pozornost na karakterističnu reakciju živčanih završetaka.
Međutim, drugi Talijan, Alessandro Volta, opovrgnuo je Galvanijeve zaključke. Zainteresiran za mogućnost dobivanja električne energije iz životinjskih organizama, proveo je niz pokusa sa žabama. Ali njegov zaključak se pokazao potpuno suprotnim prethodnim hipotezama.
Volta je skrenula pozornost 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 kemijskih elemenata, to je učinak veći.
Ploče od različitih metala, položene papirnatim diskovima natopljenim otopinom elektrolita, dugo su stvarale potrebnu razliku potencijala. I neka je niska (1,1 V), ali električna struja bi se mogla dugo istraživati. Glavna stvar je da je napon ostao nepromijenjen jednako dugo.
Što se događa
Zašto izvori koji se nazivaju "galvanske ćelije" uzrokuju takav učinak?
Dvije metalne elektrode smještene u dielektriku igraju različite uloge. Jedan opskrbljuje elektrone, drugi ih prihvaća. Proces redoks reakcije dovodi do pojave viška elektrona na jednoj elektrodi, koja se zove negativni pol, a manjka na drugoj, označit ćemo je kao pozitivni pol izvora.
U najjednostavnijim galvanskim ćelijama oksidativne reakcije se javljaju na jednoj elektrodi, a redukcijske reakcije na drugoj. Elektroni dolaze na elektrode s vanjske strane kruga. Elektrolit je strujni vodič iona unutar izvora. Snaga otpora određuje trajanje procesa.
Bakar-cink element
Načelo rada galvanskih ćelija zanimljivo je razmotriti na primjeru bakreno-cink galvanske ćelije, čije djelovanje je posljedica energije cinka i bakrenog sulfata. U ovom izvoru bakrena ploča se stavlja u otopinu bakrenog sulfata, a cinkova elektroda je uronjena u otopinu 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 su se pretvorili u ione, pojavljuju se u otopini. Na elektrodi se oslobađaju elektroni koji mogu sudjelovati u stvaranju struje.
Dolazeći do bakrene elektrode, elektroni sudjeluju u reakciji redukcije. Izotopine, ioni bakra ulaze u površinski sloj, u procesu redukcije pretvaraju se u atome bakra, taložeći se na bakrenoj ploči.
Da rezimiramo što se događa: proces rada galvanske ćelije je popraćen prijenosom elektrona s redukcijskog sredstva na oksidacijsko sredstvo duž vanjskog dijela strujnog kruga. Reakcije se odvijaju na obje elektrode. Ionska 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. Štoviše, mnoge reakcije zahtijevaju skupe tvari.
Moderne baterije imaju jednostavniju strukturu. Dvije elektrode smještene u jedan elektrolit pune posudu – kućište baterije. Takve značajke dizajna pojednostavljuju strukturu i smanjuju cijenu baterija.
Svaka galvanska ćelija može proizvesti istosmjernu struju.
Otpor struje ne dopušta da svi ioni budu na elektrodama u isto vrijeme, tako da element radi dugo vremena. Kemijske reakcije stvaranja iona prije ili kasnije prestaju, element se isprazni.
Unutarnji otpor izvora struje je važan.
Malo o otporu
Upotreba električne struje je, bez sumnje, dovela znanstveni i tehnološki napredak na novu razinu, dala mu je golem poticaj. 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 značajno protivljenje. Fizika, kao znanost o prirodi, pokušava uspostaviti ravnotežu, uskladiti te okolnosti.
Strujni otpor nastaje zbog interakcije električno nabijenih čestica s tvari kroz koju se kreću. Nemoguće je isključiti ovaj proces u normalnim temperaturnim uvjetima.
Otpor
Unutarnji otpor izvora struje i otpor vanjskog dijela strujnog kruga su malo drugačije prirode, ali isti je u ovim procesima rad na pomicanju naboja.
Sam rad ovisi samo o svojstvima izvora i njegovom sadržaju: kvaliteti elektroda i elektrolita, kao i o vanjskim dijelovima strujnog kruga, čiji otpor ovisi o geometrijskim parametrima i kemikalijama karakteristike materijala. Na primjer, otpor metalne žice raste s povećanjem njezine duljine i smanjuje se s proširenjem površine poprečnog presjeka. Prilikom rješavanja problema kako smanjiti otpornost, fizika preporučuje korištenje specijaliziranih materijala.
Posao trenutno
U skladu s Joule-Lenzovim zakonom, količina topline koja se oslobađa u vodičima proporcionalna je otporu. Ako količinu topline označimo kao Qint., jačinu struje I, vrijeme njenog protoka t, tada dobivamo:
Qint=I2 · r t,
gdje je r unutarnji otpor izvoratrenutno.
U cijelom krugu, uključujući njegove unutarnje 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: vanjski krug (svi elementi osim izvora) ima otpor R.
Ohmov zakon za kompletan krug
Uzmite u obzir da glavni posao obavljaju vanjske sile unutar izvora struje. Njegova vrijednost jednaka je umnošku naboja kojeg nosi polje i elektromotorne sile izvora:
q E=I2 (r + R) t.
shvativši da je naboj jednak umnošku jačine struje i vremena njenog protjecanja, imamo:
E=I (r + R)
Prema uzročno-posljedičnoj vezi, Ohmov zakon ima oblik:
I=E: (r + R)
Struja u zatvorenom krugu izravno je proporcionalna EMF-u izvora struje i obrnuto proporcionalna ukupnom (ukupnom) otporu kruga.
Na temelju ovog uzorka moguće je odrediti unutarnji otpor izvora struje.
Kapacitet izvora pražnjenja
Kapacitet pražnjenja također se može pripisati glavnim karakteristikama izvora. Maksimalna količina električne energije koja se može dobiti pri radu pod određenim uvjetima ovisi o jačini struje pražnjenja.
U idealnom slučaju, kada se naprave određene aproksimacije, kapacitet pražnjenja može se 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, radi 5 sati.
Metode punjenja baterija
Iskorišćavanje 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 stalnu struju za određeno vrijeme (oko 16 sati struja 0,1 kapacitet baterije);
- punjenje opadajućom strujom do unaprijed određene vrijednosti razlike potencijala;
- upotreba neuravnoteženih struja;
- uzastopna primjena kratkih impulsa punjenja i pražnjenja, u kojoj vrijeme prvog prelazi vrijeme drugog.
Praktični rad
Predlaže se zadatak: odrediti unutarnji otpor izvora struje i EMF-a.
Da biste to izvršili, morate se opskrbiti izvorom struje, ampermetrom, voltmetrom, reostatom klizača, ključem, skupom vodiča.
Upotreba Ohmovog zakona za zatvoreni krug odredit će unutarnji otpor izvora struje. Da biste to učinili, morate znati njegov EMF, vrijednost otpora reostata.
Formula za izračun strujnog otpora u vanjskom dijelu kruga može se odrediti iz Ohmovog zakona za dio kruga:
I=U: R,
gdje je I jačina struje u vanjskom dijelu strujnog kruga, mjerena ampermetrom; U - napon na vanjskomotpor.
Da bi se poboljšala točnost, mjerenja se vrše najmanje 5 puta. Čemu služi? Napon, otpor, struja (ili bolje rečeno, jakost struje) izmjereni tijekom eksperimenta koriste se u nastavku.
Za određivanje EMF-a izvora struje koristimo činjenicu da je napon na njegovim terminalima s otvorenim ključem gotovo jednak EMF-u.
Sastavimo sklop od baterije, reostata, ampermetra, ključa spojenog u seriju. Priključujemo voltmetar na stezaljke izvora struje. Nakon otvaranja ključa, uzimamo njegova očitanja.
Unutarnji otpor, čija je formula dobivena iz Ohmovog zakona za kompletan krug, određena je matematičkim izračunima:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Mjerenja pokazuju da je unutarnji otpor mnogo manji od vanjskog.
Praktična funkcija punjivih baterija i baterija se široko koristi. Neosporna ekološka sigurnost elektromotora je nedvojbena, ali stvaranje prostrane, ergonomske baterije problem je moderne fizike. Njegovo rješenje dovest će do novog kruga u razvoju automobilske tehnologije.
Male, lagane baterije velikog kapaciteta također su neophodne u mobilnim elektroničkim uređajima. Količina energije koja se u njima koristi izravno je povezana s performansama uređaja.
