Elektrický prúd vo vodiči vzniká vplyvom elektrického poľa, ktoré núti voľné nabité častice, aby sa dostali do riadeného pohybu. Vytvorenie prúdu častíc je vážny problém. Zostrojiť také zariadenie, ktoré udrží potenciálny rozdiel poľa po dlhú dobu v jednom stave, je úloha, ktorú ľudstvo dokázalo vyriešiť len do konca 18. storočia.
Prvé pokusy
Prvé pokusy o „akumuláciu elektriny“pre jej ďalší výskum a využitie sa uskutočnili v Holandsku. Nemec Ewald Jurgen von Kleist a Holanďan Peter van Muschenbrook, ktorí uskutočnili svoj výskum v meste Leiden, vytvorili prvý kondenzátor na svete, neskôr nazvaný „Leyden jar“.
Akumulácia elektrického náboja už prebehla pôsobením mechanického trenia. Bolo možné použiť výboj cez vodič na určitý, pomerne krátky časový úsek.
Víťazstvo ľudskej mysle nad takou efemérnou substanciou, akou je elektrina, sa ukázalo ako revolučné.
Bohužiaľ, výboj (elektrický prúd generovaný kondenzátorom)trvala tak krátko, že nedokázala vytvoriť jednosmerný prúd. Okrem toho sa napätie dodávané kondenzátorom postupne znižuje, čo znemožňuje príjem trvalého prúdu.
Mal som hľadať iný spôsob.
Prvý zdroj
Experimenty „živočíšnej elektriny“Taliana Galvaniho boli originálnym pokusom nájsť prirodzený zdroj prúdu v prírode. Zavesením nôh vypreparovaných žiab na kovové háky železnej mriežky upozornil na charakteristickú reakciu nervových zakončení.
Iný Talian, Alessandro Volta, však Galvaniho závery vyvrátil. Zaujímal sa o možnosť získavania elektriny zo živočíšnych organizmov, vykonal sériu pokusov so žabami. Jeho záver sa však ukázal ako úplný opak predchádzajúcich hypotéz.
Volta upozornila na skutočnosť, že živý organizmus je len indikátorom elektrického výboja. Keď prúd prejde, svaly nôh sa stiahnu, čo naznačuje potenciálny rozdiel. Zdrojom elektrického poľa bol kontakt rôznych kovov. Čím ďalej sú od seba v rade chemických prvkov, tým väčší je účinok.
Dosky z rôznych kovov, položené s papierovými kotúčmi namočenými v roztoku elektrolytu, vytvárali potrebný potenciálny rozdiel na dlhú dobu. A nech je nízky (1,1 V), ale elektrický prúd by sa dal skúmať dlho. Hlavná vec je, že napätie zostalo nezmenené rovnako dlho.
Čo sa deje
Prečo zdroje nazývané „galvanické články“spôsobujú takýto efekt?
Dve kovové elektródy umiestnené v dielektriku hrajú rôzne úlohy. Jeden dodáva elektróny, druhý ich prijíma. Proces redoxnej reakcie vedie k objaveniu sa prebytku elektrónov na jednej elektróde, ktorá sa nazýva záporný pól, a nedostatku na druhej, označíme to ako kladný pól zdroja.
V najjednoduchších galvanických článkoch prebiehajú oxidačné reakcie na jednej elektróde a redukčné reakcie na druhej. Elektróny prichádzajú k elektródam z vonkajšej strany obvodu. Elektrolyt je vodič prúdu iónov vo vnútri zdroja. Sila odporu určuje trvanie procesu.
Meď-zinkový prvok
Princíp činnosti galvanických článkov je zaujímavé zvážiť na príklade meď-zinkového galvanického článku, ktorého činnosť je spôsobená energiou zinku a síranu meďnatého. V tomto zdroji je medená platňa umiestnená v roztoku síranu meďnatého a zinková elektróda je ponorená do roztoku síranu zinočnatého. Roztoky sú oddelené poréznou vložkou, aby sa zabránilo miešaniu, ale musia byť v kontakte.
Ak je okruh uzavretý, povrchová vrstva zinku je oxidovaná. V procese interakcie s kvapalinou sa v roztoku objavujú atómy zinku, ktoré sa zmenili na ióny. Na elektróde sa uvoľňujú elektróny, ktoré sa môžu podieľať na generovaní prúdu.
Ak sa elektróny dostanú k medenej elektróde, zúčastňujú sa redukčnej reakcie. Odroztoku, ióny medi vstupujú do povrchovej vrstvy, v procese redukcie sa menia na atómy medi, ktoré sa ukladajú na medenej platni.
Aby som zhrnul, čo sa deje: proces činnosti galvanického článku je sprevádzaný prenosom elektrónov z redukčného činidla do oxidačného činidla pozdĺž vonkajšej časti okruhu. Reakcie prebiehajú na oboch elektródach. Vnútri zdroja preteká iónový prúd.
Náročnosť použitia
V zásade je možné v batériách použiť ktorúkoľvek z možných redoxných reakcií. Ale nie je toľko látok schopných pracovať v technicky hodnotných prvkoch. Navyše mnohé reakcie vyžadujú drahé látky.
Moderné batérie majú jednoduchšiu štruktúru. Dve elektródy umiestnené v jednom elektrolyte plnia nádobu - puzdro batérie. Takéto konštrukčné prvky zjednodušujú štruktúru a znižujú náklady na batérie.
Akýkoľvek galvanický článok je schopný produkovať jednosmerný prúd.
Odpor prúdu neumožňuje, aby boli všetky ióny na elektródach súčasne, takže prvok funguje dlho. Chemické reakcie tvorby iónov sa skôr či neskôr zastavia, prvok sa vybije.
Vnútorný odpor zdroja prúdu je dôležitý.
Niečo o odpore
Používanie elektrického prúdu nepochybne posunulo vedecký a technologický pokrok na novú úroveň a dodalo mu obrovskú podporu. Ale sila odporu voči toku prúdu stojí v ceste takémuto vývoju.
Elektrický prúd má na jednej strane neoceniteľné vlastnosti používané v každodennom živote a technológiách, na druhej strane je tu výrazný odpor. Fyzika ako veda o prírode sa snaží nájsť rovnováhu, uviesť tieto okolnosti do súladu.
Prúdový odpor vzniká v dôsledku interakcie elektricky nabitých častíc s látkou, ktorou sa pohybujú. Za normálnych teplotných podmienok nie je možné tento proces vylúčiť.
Odpor
Vnútorný odpor zdroja prúdu a odpor vonkajšej časti obvodu sú mierne odlišného charakteru, ale rovnaká v týchto procesoch je práca vykonaná na pohyb náboja.
Samotná práca závisí len od vlastností zdroja a jeho obsahu: kvality elektród a elektrolytu, ako aj od vonkajších častí obvodu, ktorých odpor závisí od geometrických parametrov a chemických vlastnosti materiálu. Napríklad odpor kovového drôtu sa zvyšuje so zväčšením jeho dĺžky a znižuje sa s rozšírením plochy prierezu. Pri riešení problému, ako znížiť odpor, fyzika odporúča použiť špecializované materiály.
Pracovný moment
V súlade so zákonom Joule-Lenz je množstvo tepla uvoľneného vo vodičoch úmerné odporu. Ak množstvo tepla označíme ako Qint., silu prúdu I, čas jeho toku t, dostaneme:
Qint=I2 · r t,
kde r je vnútorný odpor zdrojaaktuálne.
V celom okruhu, vrátane jeho vnútorných aj vonkajších častí, sa uvoľní celkové množstvo tepla, ktorého vzorec je:
Qfull=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Je známe, ako sa vo fyzike označuje odpor: vonkajší obvod (všetky prvky okrem zdroja) má odpor R.
Ohmov zákon pre úplný obvod
Vezmite do úvahy, že hlavnú prácu vykonávajú vonkajšie sily vo vnútri zdroja prúdu. Jeho hodnota sa rovná súčinu náboja prenášaného poľom a elektromotorickej sily zdroja:
q E=I2 (r + R) t.
uvedomujúc si, že náboj sa rovná súčinu sily prúdu a času jeho toku, máme:
E=I (r + R)
Podľa vzťahov príčina-následok má Ohmov zákon tvar:
I=E: (r + R)
Prúd v uzavretom okruhu je priamo úmerný EMF zdroja prúdu a nepriamo úmerný celkovému (celkovému) odporu okruhu.
Na základe tohto vzoru je možné určiť vnútorný odpor zdroja prúdu.
Výbojová kapacita zdroja
Výbojovú kapacitu možno pripísať aj hlavným charakteristikám zdrojov. Maximálne množstvo elektriny, ktoré je možné získať pri prevádzke za určitých podmienok, závisí od intenzity vybíjacieho prúdu.
V ideálnom prípade, keď sa urobia určité približné hodnoty, možno kapacitu vybíjania považovať za konštantnú.
KNapríklad štandardná batéria s potenciálovým rozdielom 1,5 V má vybíjaciu kapacitu 0,5 Ah. Ak je vybíjací prúd 100 mA, funguje 5 hodín.
Metódy nabíjania batérií
Využívanie batérií vedie k ich vybitiu. Obnova batérií, nabíjanie malých článkov prebieha pomocou prúdu, ktorého sila nepresahuje jednu desatinu kapacity zdroja.
K dispozícii sú nasledujúce spôsoby nabíjania:
- používanie konštantného prúdu počas určeného času (približne 16 hodín prúdu 0,1 kapacity batérie);
- nabíjanie znižovacím prúdom na vopred stanovenú hodnotu potenciálneho rozdielu;
- použitie nevyvážených prúdov;
- postupná aplikácia krátkych impulzov nabíjania a vybíjania, pri ktorých čas prvého presiahne čas druhého.
Praktická práca
Úloha je navrhnutá: určiť vnútorný odpor zdroja prúdu a EMF.
Na jeho vykonanie je potrebné zásobiť sa zdrojom prúdu, ampérmetrom, voltmetrom, posuvným reostatom, kľúčom, súpravou vodičov.
Použitie Ohmovho zákona pre uzavretý obvod určí vnútorný odpor zdroja prúdu. Aby ste to dosiahli, musíte poznať jeho EMF, hodnotu odporu reostatu.
Výpočtový vzorec pre prúdový odpor vo vonkajšej časti obvodu možno určiť z Ohmovho zákona pre časť obvodu:
I=U: R,
kde I je sila prúdu vo vonkajšej časti obvodu, meraná ampérmetrom; U - napätie na vonkajšomodpor.
Na zlepšenie presnosti sa merania vykonávajú aspoň 5-krát. Načo to je? Napätie, odpor, prúd (alebo skôr sila prúdu) namerané počas experimentu sú použité nižšie.
Na určenie EMF zdroja prúdu využívame skutočnosť, že napätie na jeho svorkách pri otvorenom kľúči je takmer rovnaké ako EMF.
Zostavme obvod z batérie, reostatu, ampérmetra, kľúča zapojených do série. Na svorky zdroja prúdu pripojíme voltmeter. Po otvorení kľúča zisťujeme jeho hodnoty.
Vnútorný odpor, ktorého vzorec je získaný z Ohmovho zákona pre úplný obvod, je určený matematickými výpočtami:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Merania ukazujú, že vnútorný odpor je oveľa menší ako vonkajší.
Praktická funkcia nabíjateľných batérií a batérií je široko používaná. Nesporná environmentálna bezpečnosť elektromotorov je nepochybná, ale vytvorenie priestrannej, ergonomickej batérie je problémom modernej fyziky. Jeho riešenie povedie k novému kolu vo vývoji automobilovej techniky.
Malé, ľahké, vysokokapacitné batérie sú tiež nevyhnutné v mobilných elektronických zariadeniach. Množstvo energie spotrebovanej v nich priamo súvisí s výkonom zariadení.
