Elektriskā strāva vadītājā rodas elektriskā lauka ietekmē, liekot brīvi lādētām daļiņām nonākt virzītā kustībā. Daļiņu strāvas radīšana ir nopietna problēma. Izveidot tādu ierīci, kas vienā stāvoklī ilgstoši saglabās lauka potenciālo starpību, ir uzdevums, ko cilvēce varēja atrisināt tikai līdz 18. gadsimta beigām.
Pirmie mēģinājumi
Pirmie mēģinājumi "uzkrāt elektroenerģiju" tās tālākai izpētei un izmantošanai tika veikti Holandē. Vācietis Ēvalds Jurgens fon Kleists un holandietis Pīters van Mušenbruks, kuri veica pētījumus Leidenes pilsētā, radīja pasaulē pirmo kondensatoru, kas vēlāk tika saukts par "Leidenas burku".
Elektriskā lādiņa uzkrāšanās jau ir notikusi mehāniskās berzes ietekmē. Noteiktu, diezgan īsu laika periodu varēja izmantot izlādi caur vadītāju.
Cilvēka prāta uzvara pār tik īslaicīgu vielu kā elektrība izrādījās revolucionāra.
Diemžēl izlāde (kondensatora radītā elektriskā strāva)ilga tik īsi, ka nevarēja izveidot līdzstrāvu. Turklāt kondensatora piegādātais spriegums tiek pakāpeniski samazināts, kas padara neiespējamu nepārtrauktas strāvas saņemšanu.
Man vajadzēja meklēt citu ceļu.
Pirmais avots
Itāliešu Galvani "dzīvnieku elektrības" eksperimenti bija oriģināls mēģinājums atrast dabā dabisku strāvas avotu. Piekāris izdalīto varžu kājas uz dzelzs režģa metāla āķiem, viņš vērsa uzmanību uz nervu galu raksturīgo reakciju.
Tomēr cits itālis Alesandro Volta atspēkoja Galvani secinājumus. Interesējoties par iespēju iegūt elektrību no dzīvnieku organismiem, viņš veica virkni eksperimentu ar vardēm. Taču viņa secinājums izrādījās pilnīgs pretējs iepriekšējām hipotēzēm.
Volta vērsa uzmanību uz to, ka dzīvs organisms ir tikai elektriskās izlādes indikators. Kad strāva pāriet, kāju muskuļi saraujas, norādot uz potenciālu atšķirību. Elektriskā lauka avots bija atšķirīgu metālu kontakts. Jo tālāk tie atrodas ķīmisko elementu virknē, jo lielāks efekts.
Atšķirīgu metālu plāksnes, uzklātas ar elektrolīta šķīdumā samērcētiem papīra diskiem, ilgu laiku radīja nepieciešamo potenciālu starpību. Un lai ir zems (1,1 V), bet elektrisko strāvu varētu izmeklēt ilgi. Galvenais, lai spriegums tikpat ilgi paliktu nemainīgs.
Kas notiek
Kāpēc avoti, ko sauc par "galvaniskajām šūnām", rada šādu efektu?
Divi metāla elektrodi, kas ievietoti dielektrikā, spēlē dažādas lomas. Viens piegādā elektronus, otrs tos pieņem. Redoksreakcijas process noved pie tā, ka uz viena elektroda, ko sauc par negatīvo polu, parādās elektronu pārpalikums, bet otrajā - deficīts, mēs to apzīmēsim kā avota pozitīvo polu.
Vienkāršākajās galvaniskajās šūnās oksidatīvās reakcijas notiek uz viena elektroda, bet reducēšanas reakcijas notiek uz otra. Elektroni nonāk pie elektrodiem no ķēdes ārpuses. Elektrolīts ir avota iekšpusē esošo jonu strāvas vadītājs. Pretestības stiprums nosaka procesa ilgumu.
Vara-cinka elements
Galvanisko elementu darbības principu ir interesanti apsvērt, izmantojot vara-cinka galvaniskā elementa piemēru, kura darbība ir saistīta ar cinka un vara sulfāta enerģiju. Šajā avotā vara plāksne tiek ievietota vara sulfāta šķīdumā, un cinka elektrods ir iegremdēts cinka sulfāta šķīdumā. Šķīdumus atdala ar porainu starpliku, lai novērstu sajaukšanos, taču tiem ir jāsaskaras.
Ja ķēde ir aizvērta, cinka virsmas slānis tiek oksidēts. Mijiedarbības procesā ar šķidrumu šķīdumā parādās cinka atomi, kas pārvērtušies jonos. Uz elektroda tiek atbrīvoti elektroni, kas var piedalīties strāvas veidošanā.
Nokļūstot līdz vara elektrodam, elektroni piedalās reducēšanas reakcijā. Nošķīdumā vara joni nonāk virsmas slānī, reducēšanās procesā pārvēršas par vara atomiem, nogulsnējot uz vara plāksnes.
Rezumējot notiekošo: galvaniskās šūnas darbības procesu pavada elektronu pārnešana no reducētāja uz oksidētāju pa ķēdes ārējo daļu. Reakcijas notiek uz abiem elektrodiem. Avotā plūst jonu strāva.
Lietošanas grūtības
Principā akumulatoros var izmantot jebkuru no iespējamām redoksreakcijām. Bet nav tik daudz vielu, kas spēj darboties tehniski vērtīgos elementos. Turklāt daudzām reakcijām ir nepieciešamas dārgas vielas.
Mūsdienu akumulatoriem ir vienkāršāka struktūra. Divi elektrodi, kas ievietoti vienā elektrolītā, piepilda trauku - akumulatora korpusu. Šādas dizaina iezīmes vienkāršo struktūru un samazina akumulatoru izmaksas.
Jebkurš galvaniskais elements spēj ražot līdzstrāvu.
Strāvas pretestība neļauj visiem joniem vienlaicīgi atrasties uz elektrodiem, tāpēc elements darbojas ilgu laiku. Jonu veidošanās ķīmiskās reakcijas agrāk vai vēlāk apstājas, elements izlādējas.
Svarīga ir strāvas avota iekšējā pretestība.
Mazliet par pretestību
Elektriskās strāvas izmantošana, bez šaubām, pacēla zinātnes un tehnoloģiju progresu jaunā līmenī, deva viņam milzīgu stimulu. Bet pretestības spēks pret strāvas plūsmu traucē šādai attīstībai.
No vienas puses, elektriskajai strāvai ir nenovērtējamas īpašības, ko izmanto ikdienā un tehnoloģijās, no otras puses, ir ievērojama pretestība. Fizika kā dabas zinātne cenšas panākt līdzsvaru, saskaņot šos apstākļus.
Strāvas pretestība rodas elektriski lādētu daļiņu mijiedarbības dēļ ar vielu, caur kuru tās pārvietojas. Normālos temperatūras apstākļos šo procesu nav iespējams izslēgt.
Pretestība
Strāvas avota iekšējā pretestība un ķēdes ārējās daļas pretestība ir nedaudz atšķirīga rakstura, taču vienāds šajos procesos ir darbs, kas tiek veikts, lai pārvietotu lādiņu.
Pats darbs ir atkarīgs tikai no avota īpašībām un tā satura: elektrodu un elektrolīta īpašībām, kā arī ķēdes ārējām daļām, kuru pretestība ir atkarīga no ģeometriskajiem parametriem un ķīmiskajām īpašībām materiāla īpašības. Piemēram, metāla stieples pretestība palielinās, palielinoties tās garumam, un samazinās, palielinoties šķērsgriezuma laukumam. Risinot problēmu, kā samazināt pretestību, fizika iesaka izmantot specializētus materiālus.
Pašreizējais darbs
Saskaņā ar Džoula-Lenca likumu vadītājos izdalītā siltuma daudzums ir proporcionāls pretestībai. Ja mēs apzīmējam siltuma daudzumu kā Qint., strāvas stiprumu I, tās plūsmas laiku t, tad iegūstam:
Qint=I2 · r t,
kur r ir avota iekšējā pretestībapašreizējais.
Visā ķēdē, ieskaitot gan tās iekšējās, gan ārējās daļas, tiks izvadīts kopējais siltuma daudzums, kura formula ir:
Qpilns=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Ir zināms, kā fizikā tiek apzīmēta pretestība: ārējai ķēdei (visiem elementiem, izņemot avotu) ir pretestība R.
Oma likums pilnīgai ķēdei
Ņemiet vērā, ka galveno darbu veic ārējie spēki strāvas avota iekšienē. Tā vērtība ir vienāda ar lauka pārnestā lādiņa un avota elektromotora spēka reizinājumu:
q E=I2 (r + R) t.
apzinoties, ka lādiņš ir vienāds ar strāvas stipruma un tās plūsmas laika reizinājumu, mums ir:
E=I (r + R)
Saskaņā ar cēloņu un seku attiecībām Ohma likumam ir šāda forma:
I=E: (r + R)
Strāva slēgtā ķēdē ir tieši proporcionāla strāvas avota EMF un apgriezti proporcionāla ķēdes kopējai (kopējai) pretestībai.
Pamatojoties uz šo shēmu, ir iespējams noteikt strāvas avota iekšējo pretestību.
Avota izlādes jauda
Izlādes jaudu var attiecināt arī uz avotu galvenajām īpašībām. Maksimālais elektroenerģijas daudzums, ko var iegūt, darbojoties noteiktos apstākļos, ir atkarīgs no izlādes strāvas stipruma.
Ideālā gadījumā, kad tiek veikti noteikti tuvinājumi, izlādes jaudu var uzskatīt par nemainīgu.
KPiemēram, standarta akumulatoram ar potenciālu starpību 1,5 V izlādes jauda ir 0,5 Ah. Ja izlādes strāva ir 100mA, tā darbojas 5 stundas.
Akumulatoru uzlādes metodes
Akumulatoru izmantošana izraisa to izlādēšanos. Akumulatoru atjaunošana, mazo elementu uzlāde tiek veikta, izmantojot strāvu, kuras stipruma vērtība nepārsniedz vienu desmito daļu no avota jaudas.
Ir pieejamas šādas uzlādes metodes:
- izmantojot pastāvīgu strāvu noteiktu laiku (apmēram 16 stundu strāva, 0,1 akumulatora jauda);
- uzlāde ar pazeminātu strāvu līdz iepriekš noteiktai potenciālu starpības vērtībai;
- nesabalansētu strāvu izmantošana;
- secīga īsu uzlādes un izlādes impulsu pielietošana, kurā pirmā laiks pārsniedz otrās laiku.
Praktiskais darbs
Uzdevums tiek piedāvāts: noteikt strāvas avota un EML iekšējo pretestību.
Lai to veiktu, jums ir jāuzkrāj strāvas avots, ampērmetrs, voltmetrs, slīdņa reostats, atslēga, vadītāju komplekts.
Oma likuma izmantošana slēgtai ķēdei noteiks strāvas avota iekšējo pretestību. Lai to izdarītu, jums jāzina tā EMF, reostata pretestības vērtība.
Aprēķinu formulu strāvas pretestībai ķēdes ārējā daļā var noteikt pēc Ohma likuma ķēdes sadaļai:
I=U: R,
kur I ir strāvas stiprums ķēdes ārējā daļā, mērot ar ampērmetru; U - spriegums uz ārējopretestība.
Lai uzlabotu precizitāti, mērījumi tiek veikti vismaz 5 reizes. Kam tas paredzēts? Tālāk ir izmantots eksperimenta laikā izmērītais spriegums, pretestība, strāva (vai drīzāk strāvas stiprums).
Lai noteiktu strāvas avota EML, mēs izmantojam faktu, ka spriegums tā spailēs ar atvērtu taustiņu ir gandrīz vienāds ar EMF.
Samontēsim ķēdi no akumulatora, reostata, ampērmetra, virknē savienotas atslēgas. Mēs savienojam voltmetru ar strāvas avota spailēm. Atverot atslēgu, mēs nolasām tās rādījumus.
Iekšējā pretestība, kuras formula ir iegūta no Oma likuma pilnīgai ķēdei, tiek noteikta ar matemātiskiem aprēķiniem:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Mērījumi liecina, ka iekšējā pretestība ir daudz mazāka nekā ārējā.
Uzlādējamo bateriju un bateriju praktiskā funkcija tiek plaši izmantota. Elektromotoru neapstrīdama vides drošība nav apšaubāma, taču ietilpīga, ergonomiska akumulatora izveide ir mūsdienu fizikas problēma. Tā risinājums radīs jaunu posmu automobiļu tehnoloģiju attīstībā.
Mazi, viegli, lielas ietilpības akumulatori ir būtiski arī mobilajās elektroniskajās ierīcēs. Tajos izmantotais enerģijas daudzums ir tieši saistīts ar ierīču veiktspēju.
