Arus elektrik dalam konduktor timbul di bawah pengaruh medan elektrik, memaksa zarah bercas bebas masuk ke dalam gerakan terarah. Mencipta arus zarah adalah masalah yang serius. Untuk membina peranti sedemikian yang akan mengekalkan perbezaan potensi medan untuk masa yang lama di satu negeri adalah tugas yang boleh diselesaikan oleh manusia pada akhir abad ke-18.
Percubaan pertama
Percubaan pertama untuk "mengumpul tenaga elektrik" untuk penyelidikan dan penggunaan selanjutnya dibuat di Belanda. Ewald Jurgen von Kleist Jerman dan orang Belanda Peter van Muschenbrook, yang menjalankan penyelidikan mereka di bandar Leiden, mencipta kapasitor pertama di dunia, kemudian dipanggil "balang Leyden".
Pengumpulan cas elektrik telah pun berlaku di bawah tindakan geseran mekanikal. Anda boleh menggunakan pelepasan melalui konduktor untuk tempoh masa tertentu yang agak singkat.
Kemenangan fikiran manusia terhadap bahan fana seperti elektrik ternyata revolusioner.
Malangnya, nyahcas (arus elektrik yang dihasilkan oleh kapasitor)berlangsung sangat singkat sehingga tidak dapat menghasilkan arus terus. Di samping itu, voltan yang dibekalkan oleh kapasitor dikurangkan secara beransur-ansur, yang menjadikannya mustahil untuk menerima arus berterusan.
Saya sepatutnya mencari jalan lain.
Sumber pertama
Eksperimen "elektrik haiwan" Itali Galvani adalah percubaan asal untuk mencari sumber arus semula jadi dalam alam semula jadi. Menggantung kaki katak yang dibedah pada cangkuk logam kekisi besi, dia menarik perhatian kepada tindak balas ciri hujung saraf.
Namun, seorang lagi warga Itali, Alessandro Volta, menyangkal kesimpulan Galvani. Berminat dengan kemungkinan mendapatkan elektrik daripada organisma haiwan, dia menjalankan satu siri eksperimen dengan katak. Tetapi kesimpulannya ternyata bertentangan sepenuhnya dengan hipotesis sebelumnya.
Volta menarik perhatian kepada fakta bahawa organisma hidup hanyalah penunjuk nyahcas elektrik. Apabila arus berlalu, otot-otot kaki mengecut, menunjukkan perbezaan potensi. Sumber medan elektrik adalah sentuhan logam yang tidak serupa. Semakin jauh mereka berada dalam satu siri unsur kimia, semakin besar kesannya.
Plat logam yang tidak serupa, diletakkan dengan cakera kertas yang direndam dalam larutan elektrolit, mencipta perbezaan potensi yang diperlukan untuk masa yang lama. Dan biarkan ia rendah (1.1 V), tetapi arus elektrik boleh disiasat untuk masa yang lama. Perkara utama ialah voltan kekal tidak berubah untuk tempoh yang sama.
Apa yang sedang berlaku
Mengapa sumber yang dipanggil "sel galvanik" menyebabkan kesan sedemikian?
Dua elektrod logam yang diletakkan dalam dielektrik memainkan peranan yang berbeza. Satu membekalkan elektron, yang lain menerimanya. Proses tindak balas redoks membawa kepada kemunculan lebihan elektron pada satu elektrod, yang dipanggil kutub negatif, dan kekurangan pada kedua, kita akan menyatakannya sebagai kutub positif sumber.
Dalam sel galvanik yang paling ringkas, tindak balas oksidatif berlaku pada satu elektrod, dan tindak balas pengurangan berlaku pada elektrod yang lain. Elektron datang ke elektrod dari luar litar. Elektrolit ialah konduktor semasa ion di dalam sumber. Kekuatan rintangan mengawal tempoh proses.
Unsur tembaga-zink
Prinsip operasi sel galvanik menarik untuk dipertimbangkan menggunakan contoh sel galvanik kuprum-zink, yang tindakannya disebabkan oleh tenaga zink dan kuprum sulfat. Dalam sumber ini, plat kuprum diletakkan dalam larutan kuprum sulfat, dan elektrod zink direndam dalam larutan zink sulfat. Penyelesaian dipisahkan oleh pengatur berliang untuk mengelakkan percampuran, tetapi mesti bersentuhan.
Jika litar ditutup, lapisan permukaan zink akan teroksida. Dalam proses interaksi dengan cecair, atom zink, setelah berubah menjadi ion, muncul dalam larutan. Elektron dilepaskan pada elektrod, yang boleh mengambil bahagian dalam penjanaan arus.
Mendapatkan ke elektrod kuprum, elektron mengambil bahagian dalam tindak balas pengurangan. daripadalarutan, ion kuprum memasuki lapisan permukaan, dalam proses pengurangan ia bertukar menjadi atom kuprum, mengendap pada plat kuprum.
Untuk meringkaskan apa yang berlaku: proses pengendalian sel galvanik disertai dengan pemindahan elektron daripada agen penurunan kepada agen pengoksida di sepanjang bahagian luar litar. Tindak balas berlaku pada kedua-dua elektrod. Arus ion mengalir di dalam sumber.
Kesukaran penggunaan
Pada prinsipnya, sebarang tindak balas redoks yang mungkin boleh digunakan dalam bateri. Tetapi tidak begitu banyak bahan yang mampu berfungsi dalam unsur-unsur teknikal yang berharga. Selain itu, banyak tindak balas memerlukan bahan yang mahal.
Bateri moden mempunyai struktur yang lebih ringkas. Dua elektrod diletakkan dalam satu elektrolit mengisi bekas - bekas bateri. Ciri reka bentuk sedemikian memudahkan struktur dan mengurangkan kos bateri.
Sebarang sel galvanik mampu menghasilkan arus terus.
Rintangan arus tidak membenarkan semua ion berada pada elektrod pada masa yang sama, jadi elemen berfungsi untuk jangka masa yang lama. Tindak balas kimia pembentukan ion lambat laun terhenti, unsur itu dinyahcas.
Rintangan dalaman sumber semasa adalah penting.
Sedikit tentang rintangan
Penggunaan arus elektrik, tidak syak lagi, membawa kemajuan saintifik dan teknologi ke tahap yang baharu, memberikannya dorongan gergasi. Tetapi daya rintangan terhadap aliran arus menghalang perkembangan sedemikian.
Di satu pihak, arus elektrik mempunyai sifat yang tidak ternilai yang digunakan dalam kehidupan seharian dan teknologi, sebaliknya, terdapat pertentangan yang ketara. Fizik, sebagai sains alam semula jadi, cuba mencapai keseimbangan, untuk menyelaraskan keadaan ini.
Rintangan semasa timbul disebabkan oleh interaksi zarah bercas elektrik dengan bahan yang melaluinya ia bergerak. Adalah mustahil untuk mengecualikan proses ini dalam keadaan suhu biasa.
Rintangan
Rintangan dalaman sumber arus dan rintangan bahagian luar litar adalah sifat yang sedikit berbeza, tetapi yang sama dalam proses ini ialah kerja yang dilakukan untuk menggerakkan cas.
Kerja itu sendiri hanya bergantung pada sifat sumber dan kandungannya: kualiti elektrod dan elektrolit, serta untuk bahagian luar litar, yang rintangannya bergantung pada parameter geometri dan bahan kimia ciri-ciri bahan. Sebagai contoh, rintangan dawai logam bertambah dengan pertambahan panjangnya dan berkurangan dengan pengembangan luas keratan rentas. Apabila menyelesaikan masalah cara mengurangkan rintangan, fizik mengesyorkan menggunakan bahan khusus.
Kerja semasa
Menurut undang-undang Joule-Lenz, jumlah haba yang dibebaskan dalam konduktor adalah berkadar dengan rintangan. Jika kita menetapkan jumlah haba sebagai Qint., kekuatan arus I, masa alirannya t, maka kita dapat:
Qint=I2 · r t,
di mana r ialah rintangan dalaman sumbersemasa.
Dalam keseluruhan litar, termasuk bahagian dalam dan luarannya, jumlah haba akan dibebaskan, formulanya ialah:
Qpenuh=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Telah diketahui bagaimana rintangan dilambangkan dalam fizik: litar luaran (semua elemen kecuali sumber) mempunyai rintangan R.
Hukum Ohm untuk litar lengkap
Mengambil kira bahawa kerja utama dilakukan oleh kuasa luar di dalam sumber semasa. Nilainya adalah sama dengan hasil darab cas yang dibawa oleh medan dan daya gerak elektrik punca:
q E=I2 (r + R) t.
menyedari bahawa cas adalah sama dengan hasil darab kekuatan semasa dan masa alirannya, kami mempunyai:
E=I (r + R)
Menurut hubungan sebab-akibat, hukum Ohm mempunyai bentuk:
I=E: (r + R)
Arus dalam litar tertutup adalah berkadar terus dengan EMF sumber arus dan berkadar songsang dengan jumlah (jumlah) rintangan litar.
Berdasarkan corak ini, adalah mungkin untuk menentukan rintangan dalaman sumber semasa.
Kapasiti pelepasan sumber
Kapasiti nyahcas juga boleh dikaitkan dengan ciri utama sumber. Jumlah maksimum tenaga elektrik yang boleh diperoleh apabila beroperasi dalam keadaan tertentu bergantung pada kekuatan arus nyahcas.
Dalam kes yang ideal, apabila anggaran tertentu dibuat, kapasiti nyahcas boleh dianggap malar.
KSebagai contoh, bateri standard dengan beza keupayaan 1.5 V mempunyai kapasiti nyahcas sebanyak 0.5 Ah. Jika arus nyahcas ialah 100mA, maka ia berfungsi selama 5 jam.
Kaedah untuk mengecas bateri
Eksploitasi bateri membawa kepada pelepasannya. Pemulihan bateri, pengecasan sel kecil dijalankan menggunakan arus yang nilai kekuatannya tidak melebihi satu persepuluh kapasiti sumber.
Kaedah pengecasan berikut tersedia:
- menggunakan arus malar untuk masa tertentu (kira-kira 16 jam semasa kapasiti bateri 0.1);
- mengecas dengan arus injak turun ke nilai beza potensi yang telah ditetapkan;
- penggunaan arus tidak seimbang;
- aplikasi berturut-turut bagi nadi pendek pengecasan dan nyahcas, di mana masa yang pertama melebihi masa yang kedua.
Kerja praktikal
Tugas dicadangkan: untuk menentukan rintangan dalaman sumber semasa dan EMF.
Untuk melaksanakannya, anda perlu menyimpan sumber semasa, ammeter, voltmeter, reostat gelangsar, kunci, satu set konduktor.
Menggunakan hukum Ohm untuk litar tertutup akan menentukan rintangan dalaman sumber arus. Untuk melakukan ini, anda perlu mengetahui EMFnya, nilai rintangan rheostat.
Formula pengiraan bagi rintangan arus di bahagian luar litar boleh ditentukan daripada hukum Ohm bagi bahagian litar:
I=U: R,
di mana I ialah kekuatan semasa di bahagian luar litar, diukur dengan ammeter; U - voltan pada luaranrintangan.
Untuk meningkatkan ketepatan, pengukuran diambil sekurang-kurangnya 5 kali. Untuk apa itu? Voltan, rintangan, arus (atau lebih tepatnya, kekuatan arus) yang diukur semasa percubaan digunakan di bawah.
Untuk menentukan EMF sumber semasa, kami menggunakan fakta bahawa voltan pada terminalnya dengan kunci terbuka hampir sama dengan EMF.
Mari kita pasang litar daripada bateri, reostat, ammeter, kunci yang disambungkan secara bersiri. Kami menyambungkan voltmeter ke terminal sumber semasa. Setelah membuka kunci, kami mengambil bacaannya.
Rintangan dalaman, formula yang diperoleh daripada hukum Ohm untuk litar lengkap, ditentukan oleh pengiraan matematik:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Ukuran menunjukkan bahawa rintangan dalaman adalah lebih rendah daripada rintangan luaran.
Fungsi praktikal bateri dan bateri boleh dicas semula digunakan secara meluas. Keselamatan alam sekitar yang tidak dapat dipertikaikan bagi motor elektrik tidak dapat dinafikan, tetapi mencipta bateri yang luas dan ergonomik adalah masalah fizik moden. Penyelesaiannya akan membawa kepada pusingan baharu dalam pembangunan teknologi automotif.
Bateri yang kecil, ringan, berkapasiti tinggi juga penting dalam peranti elektronik mudah alih. Jumlah tenaga yang digunakan di dalamnya secara langsung berkaitan dengan prestasi peranti.
