Sähkövirta johtimessa syntyy sähkökentän vaikutuksesta ja pakottaa vapaat varautuneet hiukkaset tulemaan suunnattuun liikkeeseen. Hiukkasvirran luominen on vakava ongelma. Sellaisen laitteen rakentaminen, joka säilyttää kentän potentiaalieron pitkään yhdessä tilassa, on tehtävä, jonka ihmiskunta pystyi ratkaisemaan vasta 1700-luvun loppuun mennessä.
Ensimmäiset yritykset
Ensimmäiset yritykset "kerää sähköä" sen jatkotutkimusta ja käyttöä varten tehtiin Hollannissa. Saksalainen Ewald Jurgen von Kleist ja hollantilainen Peter van Muschenbrook, jotka suorittivat tutkimustaan Leidenin kaupungissa, loivat maailman ensimmäisen kondensaattorin, jota myöhemmin kutsuttiin "Leydenin purkiksi".
Sähkövarauksen kerääntyminen on jo tapahtunut mekaanisen kitkan vaikutuksesta. Purkausta oli mahdollista käyttää johtimen kautta tietyn, melko lyhyen ajan.
Ihmismielen voitto niin lyhytaikaisesta aineesta kuin sähkö osoittautui vallankumoukselliseksi.
Valitettavasti purkaus (kondensaattorin tuottama sähkövirta)kesti niin vähän, ettei se pystynyt muodostamaan tasavirtaa. Lisäksi kondensaattorin syöttämää jännitettä pienennetään asteittain, mikä tekee jatkuvan virran vastaanottamisen mahdottomaksi.
Minun olisi pitänyt etsiä toinen tapa.
Ensimmäinen lähde
Italialaisen Galvanin "eläinsähkökokeet" olivat alkuperäinen yritys löytää luonnollinen virran lähde luonnosta. Riputtamalla leikattujen sammakoiden jalat rautahilan metallikoukkuihin hän kiinnitti huomion hermopäätteiden ominaiseen reaktioon.
Toinen italialainen, Alessandro Volta, kiisti Galvanin päätelmät. Kiinnostunut mahdollisuudesta saada sähköä eläinorganismeista, hän suoritti sarjan kokeita sammakoiden kanssa. Mutta hänen johtopäätöksensä osoittautui täysin päinvastaiseksi kuin aikaisemmat hypoteesit.
Volta kiinnitti huomion siihen, että elävä organismi on vain merkki sähköpurkauksesta. Kun virta kulkee, jalkojen lihakset supistuvat, mikä osoittaa potentiaalieron. Sähkökentän lähde oli erilaisten metallien kosketus. Mitä kauempana ne ovat kemiallisten alkuaineiden sarjassa, sitä suurempi vaikutus on.
Erilaisten metallien levyt, jotka oli asetettu elektrolyyttiliuokseen kastetuilla paperilevyillä, loivat tarvittavan potentiaalieron pitkäksi aikaa. Ja olkoon se matala (1,1 V), mutta sähkövirtaa voisi tutkia pitkään. Pääasia, että jännite pysyi muuttumattomana yhtä kauan.
Mitä tapahtuu
Miksi lähteet, joita kutsutaan "galvaanisoluiksi" aiheuttavat tällaisen vaikutuksen?
Kahdella metallielektrodilla, jotka on sijoitettu eristeeseen, on eri rooli. Toinen toimittaa elektroneja, toinen ottaa ne vastaan. Redox-reaktioprosessi johtaa ylimääräiseen elektroneihin ilmaantumistaan toisella elektrodilla, jota kutsutaan negatiiviseksi napaksi, ja puutteeseen toisella, merkitsemme sitä lähteen positiiviseksi napaksi.
Yksinkertaisimmissa galvaanisissa kennoissa oksidatiiviset reaktiot tapahtuvat yhdellä elektrodilla ja pelkistysreaktiot toisella. Elektronit tulevat elektrodeille piirin ulkopuolelta. Elektrolyytti on lähteen sisällä olevien ionien virranjohdin. Resistanssin voimakkuus määrää prosessin keston.
Kupari-sinkkielementti
Galvanikennojen toimintaperiaate on mielenkiintoista pohtia käyttämällä esimerkkiä kupari-sinkki galvaanikennosta, jonka toiminta johtuu sinkin ja kuparisulfaatin energiasta. Tässä lähteessä kuparilevy asetetaan kuparisulfaattiliuokseen ja sinkkielektrodi upotetaan sinkkisulfaattiliuokseen. Liuokset erotetaan huokoisella välilevyllä sekoittumisen estämiseksi, mutta niiden on oltava kosketuksissa.
Jos piiri on suljettu, sinkin pintakerros hapettuu. Vuorovaikutusprosessissa nesteen kanssa liuokseen ilmestyy sinkkiatomeja, jotka ovat muuttuneet ioneiksi. Elektrodilla vapautuu elektroneja, jotka voivat osallistua virran muodostukseen.
Kuparielektrodille päästään elektronit osallistuvat pelkistysreaktioon. Fromliuoksessa kupari-ionit pääsevät pintakerrokseen, pelkistyessään ne muuttuvat kupariatomeiksi ja kerrostuvat kuparilevylle.
Tiivistelmänä, mitä tapahtuu: galvaanisen kennon toimintaprosessiin liittyy elektronien siirtyminen pelkistimestä hapettimeen piirin ulkoosaa pitkin. Reaktiot tapahtuvat molemmilla elektrodeilla. Ionivirta kulkee lähteen sisällä.
Käyttövaikeudet
Periaatteessa mitä tahansa mahdollisista redox-reaktioista voidaan käyttää akuissa. Mutta ei ole niin paljon aineita, jotka pystyvät toimimaan teknisesti arvokkaissa elementeissä. Lisäksi monet reaktiot vaativat kalliita aineita.
Nykyaikaisten akkujen rakenne on yksinkertaisempi. Kaksi elektrolyyttiin sijoitettua elektrodia täyttävät astian - akkukotelon. Tällaiset suunnitteluominaisuudet yksinkertaistavat rakennetta ja vähentävät akkujen kustannuksia.
Mikä tahansa galvaaninen kenno pystyy tuottamaan tasavirtaa.
Virran vastus ei salli kaikkien ionien olla elektrodeilla yhtä aikaa, joten elementti toimii pitkään. Ionin muodostumisen kemialliset reaktiot pysähtyvät ennemmin tai myöhemmin, alkuaine purkautuu.
Virtalähteen sisäinen resistanssi on tärkeä.
Hieman vastustusta
Sähkövirran käyttö toi epäilemättä tieteen ja teknologian kehityksen uudelle tasolle, antoi hänelle v altavan sysäyksen. Mutta vastusvoima virran kulkua estää tällaisen kehityksen.
Sähkövirralla on toisa alta arvokkaita ominaisuuksia, joita käytetään jokapäiväisessä elämässä ja tekniikassa, toisa alta vastustus on merkittävää. Fysiikka luonnontieteenä yrittää löytää tasapainon, saattaa nämä olosuhteet yhteen.
Virtavastus syntyy sähköisesti varautuneiden hiukkasten vuorovaikutuksesta sen aineen kanssa, jonka läpi ne liikkuvat. Tätä prosessia on mahdotonta sulkea pois normaaleissa lämpötilaolosuhteissa.
Resistanssi
Virtalähteen sisäinen resistanssi ja piirin ulkoosan resistanssi ovat luonteeltaan hieman erilaisia, mutta sama näissä prosesseissa on varauksen siirtämiseen tehtävä työ.
Työ riippuu vain lähteen ominaisuuksista ja sen sisällöstä: elektrodien ja elektrolyytin ominaisuuksista sekä piirin ulkoisista osista, joiden vastus riippuu geometrisista parametreista ja kemiallisista materiaalin ominaisuudet. Esimerkiksi metallilangan resistanssi kasvaa sen pituuden kasvaessa ja pienenee poikkileikkausalan laajentuessa. Kun ratkaistaan vastuksen vähentämisongelma, fysiikka suosittelee erikoismateriaalien käyttöä.
Työvirta
Joule-Lenzin lain mukaan johtimissa vapautuvan lämmön määrä on verrannollinen vastukseen. Jos määritetään lämmön määräksi Qint., virran I voimakkuus, sen virtausaika t, niin saadaan:
Qint=I2 · r t,
jossa r on lähteen sisäinen vastusnykyinen.
Koko piirissä, mukaan lukien sen sisäiset ja ulkoiset osat, vapautuu kokonaislämmön määrä, jonka kaava on:
Qtäysi=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Fysiikassa resistanssi on tiedossa: ulkoisessa piirissä (kaikki elementit paitsi lähde) on vastus R.
Ohmin laki täydelliselle piirille
Ota huomioon, että päätyön tekevät ulkoiset voimat virtalähteen sisällä. Sen arvo on yhtä suuri kuin kentän kuljettaman varauksen ja lähteen sähkömotorisen voiman tulo:
q E=I2 (r + R) t.
ymmärtäen, että varaus on yhtä suuri kuin virran voimakkuuden ja sen virtausajan tulo, meillä on:
E=I (r + R)
Syy-seuraus-suhteiden mukaan Ohmin lailla on muotoa:
I=E: (r + R)
Virta suljetussa piirissä on suoraan verrannollinen virtalähteen EMF:ään ja kääntäen verrannollinen piirin (kokonais)resistanssiin.
Tämän kuvion perusteella on mahdollista määrittää virtalähteen sisäinen vastus.
Lähdepurkauskapasiteetti
Purkkauskapasiteetti voidaan myös selittää lähteiden pääominaisuuksilla. Tietyissä olosuhteissa käytettävissä oleva sähkön enimmäismäärä riippuu purkausvirran voimakkuudesta.
Ihanteellisessa tapauksessa, kun tiettyjä likiarvoja tehdään, purkauskapasiteettia voidaan pitää vakiona.
KEsimerkiksi tavallisen akun, jonka potentiaaliero on 1,5 V, purkauskapasiteetti on 0,5 Ah. Jos purkausvirta on 100 mA, se toimii 5 tuntia.
Akkujen latausmenetelmät
Akkujen hyväksikäyttö johtaa niiden purkamiseen. Akkujen kunnostus, pienten kennojen lataus suoritetaan virralla, jonka voimakkuusarvo ei ylitä kymmenesosaa lähdekapasiteetista.
Seuraavat lataustavat ovat käytettävissä:
- käytettäessä vakiovirtaa tietyn ajan (noin 16 tuntia virtaa 0,1 akun kapasiteettia);
- lataus alenevalla virralla enn alta määrättyyn potentiaalieroarvoon;
- epäsymmetristen virtojen käyttö;
- lyhyiden lataus- ja purkupulssien peräkkäinen käyttö, jossa ensimmäisen aika ylittää toisen ajan.
Käytännön työ
Tehtäväksi ehdotetaan: Virtalähteen ja EMF:n sisäisen resistanssin määrittäminen.
Suorittaaksesi sen, sinun on hankittava virtalähde, ampeerimittari, volttimittari, liukusäädinreostaatti, avain, johtimia.
Ohmin lain käyttäminen suljetulle piirille määrittää virtalähteen sisäisen resistanssin. Tätä varten sinun on tiedettävä sen EMF, reostaatin resistanssin arvo.
Laskentakaava virtaresistanssille piirin uloimmassa osassa voidaan määrittää Ohmin lain perusteella piiriosuudelle:
I=U: R,
jossa I on virranvoimakkuus piirin ulkoosassa ampeerimittarilla mitattuna; U - jännite ulkoisessavastus.
Tarkuuden parantamiseksi mittaukset tehdään vähintään 5 kertaa. Mitä varten se on? Alla on käytetty kokeen aikana mitattua jännitettä, vastusta, virtaa (tai pikemminkin virran voimakkuutta).
Virtalähteen EMF:n määrittämiseksi käytämme sitä tosiasiaa, että sen liittimissä oleva jännite avaimen ollessa auki on lähes yhtä suuri kuin EMF.
Kootaan piiri akusta, reostaatista, ampeerimittarista, sarjaan kytketystä avaimesta. Kytkemme volttimittarin virtalähteen liittimiin. Avattuamme avaimen otamme sen lukemat.
Sisäinen vastus, jonka kaava saadaan Ohmin laista täydelle piirille, määritetään matemaattisilla laskelmilla:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Mittaukset osoittavat, että sisäinen vastus on paljon pienempi kuin ulkoinen.
Ladattavien akkujen ja paristojen käytännöllinen toiminta on laaj alti käytössä. Sähkömoottoreiden kiistaton ympäristöturvallisuus on kiistaton, mutta tilavan, ergonomisen akun luominen on nykyajan fysiikan ongelma. Sen ratkaisu johtaa uuteen kierrokseen autotekniikan kehityksessä.
Pienet, kevyet ja suuren kapasiteetin akut ovat välttämättömiä myös mobiililaitteissa. Niissä käytetyn energian määrä riippuu suoraan laitteiden suorituskyvystä.
