Juhis tekib elektrivool elektrivälja mõjul, mis sunnib vaba laenguga osakesi suunatud liikumisele. Osakeste voolu tekitamine on tõsine probleem. Sellise seadme ehitamine, mis säilitab välja potentsiaalse erinevuse pikka aega ühes olekus, on ülesanne, mille inimkond sai lahendada alles 18. sajandi lõpuks.
Esimesed katsed
Esimesi katseid "elektrit koguda" selle edasiseks uurimiseks ja kasutamiseks tehti Hollandis. Sakslane Ewald Jurgen von Kleist ja hollandlane Peter van Muschenbrook, kes viisid oma uurimistööd läbi Leideni linnas, lõid maailma esimese kondensaatori, mida hiljem nimetati "Leydeni purgiks".
Elektrilaengu akumuleerumine on juba toimunud mehaanilise hõõrdumise mõjul. Teatud, üsna lühikese aja jooksul oli võimalik kasutada tühjendust läbi juhtme.
Inimmõistuse võit sellise lühiajalise aine üle nagu elekter osutus revolutsiooniliseks.
Kahjuks tühjenemine (kondensaatori poolt genereeritud elektrivool)kestis nii lühikest aega, et ei suutnud tekitada alalisvoolu. Lisaks väheneb kondensaatori poolt antav pinge järk-järgult, mis muudab pideva voolu vastuvõtmise võimatuks.
Ma oleksin pidanud otsima teist võimalust.
Esimene allikas
Itaalia Galvani "loomse elektri" katsed olid originaalne katse leida looduses loomulik vooluallikas. Riputades tükeldatud konnade jalad raudvõre metallkonksudele, juhtis ta tähelepanu närvilõpmete iseloomulikule reaktsioonile.
Teine itaallane Alessandro Volta aga lükkas Galvani järeldused ümber. Tundes huvi loomorganismidelt elektrienergia saamise võimalusest, viis ta läbi rea katseid konnadega. Kuid tema järeldus osutus eelnevate hüpoteeside täielikuks vastupidiseks.
Volta juhtis tähelepanu tõsiasjale, et elusorganism on vaid elektrilahenduse indikaator. Kui vool möödub, tõmbuvad jalgade lihased kokku, mis näitab potentsiaalset erinevust. Elektrivälja allikaks oli erinevate metallide kokkupuude. Mida kaugemal need keemiliste elementide seerias asuvad, seda suurem on mõju.
Erinevatest metallidest plaadid, mis olid asetatud elektrolüüdilahuses leotatud paberketastega, tekitasid pikaks ajaks vajaliku potentsiaalide erinevuse. Ja olgu see madal (1,1 V), aga elektrivoolu võiks kaua uurida. Peaasi, et pinge püsis sama kaua muutumatuna.
Mis toimub
Miks põhjustavad allikad nimega "galvaanilised elemendid" sellist mõju?
Kaks dielektrikusse asetatud metallelektroodi mängivad erinevat rolli. Üks varustab elektrone, teine võtab neid vastu. Redoksreaktsiooni protsess toob kaasa elektronide liigse ilmumise ühel elektroodil, mida nimetatakse negatiivseks pooluseks, ja puudujäägini teisel, tähistame seda allika positiivse poolusega.
Kõige lihtsamates galvaanilistes elementides toimuvad ühel elektroodil oksüdatiivsed reaktsioonid ja teisel redutseerimisreaktsioonid. Elektronid tulevad elektroodidele ahela väljastpoolt. Elektrolüüt on allikas olevate ioonide voolujuht. Vastupanu tugevus määrab protsessi kestuse.
Vask-tsinkelement
Galvanielementide tööpõhimõtet on huvitav kaaluda vask-tsink-galvaanielemendi näitel, mille toime tuleneb tsingi ja vasksulfaadi energiast. Selles allikas asetatakse vaskplaat vasksulfaadi lahusesse ja tsinkelektrood kastetakse tsinksulfaadi lahusesse. Lahused eraldatakse segunemise vältimiseks poorse vahetükiga, kuid need peavad kokku puutuma.
Kui ahel on suletud, tsingi pinnakiht oksüdeerub. Vedelikuga interaktsiooni käigus ilmuvad lahusesse tsingi aatomid, mis on muutunud ioonideks. Elektroodidel eralduvad elektronid, mis võivad osaleda voolu genereerimises.
Vaskelektroodini jõudes osalevad elektronid redutseerimisreaktsioonis. Alateslahusesse sisenevad vase ioonid pinnakihti, redutseerimise käigus muutuvad nad vase aatomiteks, sadestuvad vaskplaadile.
Toimuva kokkuvõtteks: galvaanilise elemendi tööprotsessiga kaasneb elektronide ülekandumine redutseerij alt oksüdeerivale ainele mööda ahela välimist osa. Reaktsioonid toimuvad mõlemal elektroodil. Allika sees voolab ioonvool.
Kasutusraskused
Põhimõtteliselt võib akudes kasutada kõiki võimalikke redoksreaktsioone. Kuid tehniliselt väärtuslikes elementides ei ole nii palju aineid, mis oleksid võimelised töötama. Lisaks on paljude reaktsioonide jaoks vaja kalleid aineid.
Kaasaegsetel akudel on lihtsam struktuur. Kaks elektroodi, mis on paigutatud ühte elektrolüüti, täidavad anuma - aku korpuse. Sellised disainifunktsioonid lihtsustavad struktuuri ja vähendavad akude maksumust.
Iga galvaaniline element on võimeline tootma alalisvoolu.
Voolu takistus ei võimalda kõigil ioonidel korraga elektroodidel olla, mistõttu element töötab kaua. Ioonide moodustumise keemilised reaktsioonid peatuvad varem või hiljem, element tühjeneb.
Vooluallika sisetakistus on oluline.
Natuke vastupanust
Elektrivoolu kasutamine viis kahtlemata teaduse ja tehnoloogia arengu uuele tasemele, andis talle tohutu tõuke. Kuid vooluvoolu takistusjõud takistab sellist arengut.
Ühelt poolt on elektrivoolul igapäevaelus ja tehnikas kasutatavad hindamatud omadused, teis alt on märkimisväärne vastuseis. Füüsika kui loodusteadus püüab leida tasakaalu, viia need asjaolud kooskõlla.
Voolutakistus tekib elektriliselt laetud osakeste koosmõjul ainega, mille kaudu nad liiguvad. Tavalistes temperatuuritingimustes on seda protsessi võimatu välistada.
Vastupanu
Vooluallika sisetakistus ja vooluahela välisosa takistus on veidi erineva iseloomuga, kuid sama on nende protsesside puhul laengu liigutamiseks tehtav töö.
Töö ise sõltub ainult allika omadustest ja selle sisust: elektroodide ja elektrolüüdi omadustest, samuti vooluringi välistest osadest, mille takistus sõltub geomeetrilistest parameetritest ja keemilisest materjali omadused. Näiteks metalltraadi takistus suureneb selle pikkuse suurenemisel ja väheneb ristlõikepinna laienemisel. Vastupanu vähendamise probleemi lahendamisel soovitab füüsika kasutada spetsiaalseid materjale.
Töövool
Joule-Lenzi seaduse kohaselt on juhtides eralduva soojuse hulk võrdeline takistusega. Kui nimetame soojushulgaks Qint., voolu I tugevuseks, selle voolamise ajaks t, siis saame:
Qint=I2 · r t,
kus r on allika sisetakistuspraegune.
Kogu vooluringis, sealhulgas selle sise- ja välisosas, eraldub kogu soojushulk, mille valem on:
Qtäis=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
On teada, kuidas füüsikas takistust tähistatakse: välisel vooluringil (kõik elemendid peale allika) on takistus R.
Oomi seadus tervikliku vooluringi jaoks
Arvesta, et põhitöö teevad ära välised jõud vooluallika sees. Selle väärtus võrdub välja kantud laengu ja allika elektromotoorjõu korrutisega:
q E=I2 (r + R) t.
mõistes, et laeng on võrdne voolutugevuse ja selle kulgemise aja korrutisega, saame:
E=I (r + R)
Põhjus-tagajärg seoste järgi on Ohmi seadus järgmine:
I=E: (r + R)
Voolus suletud vooluringis on otseselt võrdeline vooluallika EMF-iga ja pöördvõrdeline vooluahela kogutakistusega (kogu)takistusega.
Selle mustri põhjal on võimalik määrata vooluallika sisetakistus.
Allikas tühjendusvõimsus
Tühjendusvõimsuse võib seostada ka allikate põhiomadustega. Teatud tingimustes töötades saadav maksimaalne elektrienergia kogus sõltub tühjendusvoolu tugevusest.
Ideaaljuhul, kui tehakse teatud lähendused, võib tühjendusvõimsust pidada konstantseks.
KNäiteks standardaku, mille potentsiaalide erinevus on 1,5 V, tühjendusvõimsus on 0,5 Ah. Kui tühjendusvool on 100 mA, töötab see 5 tundi.
Akude laadimismeetodid
Akude ärakasutamine viib nende tühjenemiseni. Akude taastamine, väikeelementide laadimine toimub vooluga, mille tugevusväärtus ei ületa kümnendikku allika võimsusest.
Saadaval on järgmised laadimisviisid:
- kasutades kindla aja jooksul konstantset voolu (umbes 16 tundi voolu 0,1 aku mahutavus);
- laadimine alandava vooluga etteantud potentsiaalse erinevuse väärtuseni;
- balanseerimata voolude kasutamine;
- lühike laadimis- ja tühjenemisimpulsside järjestikune rakendamine, mille puhul esimese aeg ületab teise aega.
Praktiline töö
Pakutakse välja ülesanne: määrata vooluallika ja elektromagnetvälja sisetakistus.
Selleks peate varuma vooluallika, ampermeetri, voltmeetri, liugurreostaati, võtme, juhtmete komplekti.
Oomi seaduse kasutamine suletud ahela jaoks määrab vooluallika sisetakistuse. Selleks peate teadma selle EMF-i, reostaadi takistuse väärtust.
Ahela välisosas oleva voolutakistuse arvutusvalemi saab määrata vooluringi sektsiooni Ohmi seadusest:
I=U: R,
kus I on voolutugevus vooluahela välisosas, mõõdetuna ampermeetriga; U - pinge väliselvastupanu.
Täpsuse parandamiseks tehakse mõõtmisi vähem alt 5 korda. Milleks see mõeldud on? Allpool on kasutatud katse käigus mõõdetud pinget, takistust, voolu (või õigemini voolutugevust).
Vooluallika EMF määramiseks kasutame asjaolu, et pinge selle klemmidel avatud võtmega on peaaegu võrdne EMF-iga.
Koostame vooluringi akust, reostaadist, ampermeetrist, järjestikku ühendatud võtmest. Ühendame voltmeetri vooluallika klemmidega. Pärast võtme avamist võtame selle näidud.
Sisetakistus, mille valem saadakse Ohmi seadusest terve vooluahela jaoks, määratakse matemaatiliste arvutustega:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Mõõtmised näitavad, et sisemine takistus on palju väiksem kui välimine.
Taaslaetavate akude ja patareide praktilist funktsiooni kasutatakse laialdaselt. Elektrimootorite vaieldamatu keskkonnaohutus on väljaspool kahtlust, kuid mahuka, ergonoomilise aku loomine on kaasaegse füüsika probleem. Selle lahendus toob kaasa uue vooru autotehnoloogia arendamisel.
Väikesed, kerged ja suure võimsusega akud on samuti olulised mobiilsetes elektroonikaseadmetes. Nendes kasutatud energia hulk on otseselt seotud seadmete jõudlusega.
