Elektrische stroom in de geleider ontstaat onder invloed van een elektrisch veld, waardoor vrij geladen deeltjes in gerichte beweging komen. Het creëren van een deeltjesstroom is een serieus probleem. Het bouwen van zo'n apparaat dat het potentiaalverschil van het veld gedurende lange tijd in één staat zal behouden, is een taak die de mensheid pas tegen het einde van de 18e eeuw kon oplossen.
Eerste pogingen
De eerste pogingen om "elektriciteit te accumuleren" voor verder onderzoek en gebruik werden in Nederland gedaan. De Duitser Ewald Jurgen von Kleist en de Nederlander Peter van Muschenbrook, die hun onderzoek deden in de stad Leiden, creëerden 's werelds eerste condensator, later de "Leyden jar" genoemd.
De accumulatie van elektrische lading heeft al plaatsgevonden onder invloed van mechanische wrijving. Het was mogelijk om een ontlading door een geleider te gebruiken voor een bepaalde, vrij korte, tijdsperiode.
De overwinning van de menselijke geest op zo'n vluchtige substantie als elektriciteit bleek revolutionair te zijn.
Helaas, ontlading (elektrische stroom opgewekt door een condensator)duurde zo kort dat er geen gelijkstroom kon ontstaan. Bovendien wordt de door de condensator geleverde spanning geleidelijk verlaagd, waardoor het onmogelijk is om een continue stroom te ontvangen.
Ik had een andere manier moeten zoeken.
Eerste bron
De Italiaanse Galvani's experimenten met "dierlijke elektriciteit" waren een originele poging om een natuurlijke stroombron in de natuur te vinden. Door de poten van ontlede kikkers aan metalen haken van een ijzeren rooster te hangen, vestigde hij de aandacht op de karakteristieke reactie van zenuwuiteinden.
Een andere Italiaan, Alessandro Volta, weerlegde echter de conclusies van Galvani. Geïnteresseerd in de mogelijkheid om elektriciteit te verkrijgen van dierlijke organismen, voerde hij een reeks experimenten uit met kikkers. Maar zijn conclusie bleek het tegenovergestelde te zijn van de vorige hypothesen.
Volta vestigde de aandacht op het feit dat een levend organisme slechts een indicator is van een elektrische ontlading. Wanneer de stroom passeert, trekken de spieren van de benen samen, wat wijst op een potentiaalverschil. De bron van het elektrische veld was het contact van verschillende metalen. Hoe verder ze uit elkaar liggen in een reeks chemische elementen, hoe groter het effect.
Platen van verschillende metalen, gelegd met papieren schijfjes gedrenkt in een elektrolytoplossing, creëerden lange tijd het nodige potentiaalverschil. En laat het laag zijn (1,1 V), maar de elektrische stroom kon nog lang worden onderzocht. Het belangrijkste is dat de spanning net zo lang onveranderd bleef.
Wat is er aan de hand
Waarom veroorzaken bronnen die "galvanische cellen" worden genoemd zo'n effect?
Twee metalen elektroden die in een diëlektricum zijn geplaatst, spelen verschillende rollen. De een levert elektronen, de ander neemt ze op. Het redoxreactieproces leidt tot het verschijnen van een overmaat aan elektronen op één elektrode, die de negatieve pool wordt genoemd, en een tekort op de tweede, we zullen het aanduiden als de positieve pool van de bron.
In de eenvoudigste galvanische cellen vinden oxidatieve reacties plaats op de ene elektrode en reductiereacties op de andere. Elektronen komen vanaf de buitenkant van het circuit naar de elektroden. De elektrolyt is de stroomgeleider van de ionen in de bron. De sterkte van de weerstand bepa alt de duur van het proces.
Koper-zink element
Het werkingsprincipe van galvanische cellen is interessant om te overwegen met behulp van het voorbeeld van een koper-zink galvanische cel, waarvan de werking te wijten is aan de energie van zink en kopersulfaat. In deze bron wordt een koperplaat in een kopersulfaatoplossing geplaatst en wordt een zinkelektrode ondergedompeld in een zinksulfaatoplossing. Oplossingen worden gescheiden door een poreuze spacer om vermenging te voorkomen, maar moeten in contact zijn.
Als het circuit gesloten is, wordt de oppervlaktelaag van zink geoxideerd. In het proces van interactie met de vloeistof verschijnen zinkatomen, die in ionen zijn veranderd, in de oplossing. Op de elektrode komen elektronen vrij, die kunnen deelnemen aan het genereren van stroom.
Als we bij de koperelektrode komen, nemen de elektronen deel aan de reductiereactie. Vanoplossing komen koperionen de oppervlaktelaag binnen, tijdens het reductieproces veranderen ze in koperatomen, die zich op de koperplaat afzetten.
Om samen te vatten wat er gebeurt: het proces van werking van een galvanische cel gaat gepaard met de overdracht van elektronen van het reductiemiddel naar het oxidatiemiddel langs het buitenste deel van het circuit. Op beide elektroden vinden reacties plaats. Er vloeit een ionenstroom in de bron.
Moeilijkheid in gebruik
In principe kunnen alle mogelijke redoxreacties in batterijen worden gebruikt. Maar er zijn niet zo veel stoffen die in technisch waardevolle elementen kunnen werken. Bovendien zijn voor veel reacties dure stoffen nodig.
Moderne batterijen hebben een eenvoudigere structuur. Twee elektroden die in één elektrolyt zijn geplaatst, vullen het vat - de batterijhouder. Dergelijke ontwerpkenmerken vereenvoudigen de structuur en verlagen de kosten van batterijen.
Elke galvanische cel kan gelijkstroom produceren.
De weerstand van de stroom staat niet toe dat alle ionen tegelijkertijd op de elektroden zijn, dus het element werkt lang. Chemische reacties van ionenvorming stoppen vroeg of laat, het element wordt ontladen.
De interne weerstand van een stroombron is belangrijk.
Een beetje over weerstand
Het gebruik van elektrische stroom bracht ongetwijfeld de wetenschappelijke en technologische vooruitgang naar een nieuw niveau en gaf hem een enorme boost. Maar de kracht van weerstand tegen de stroomstroom staat een dergelijke ontwikkeling in de weg.
Aan de ene kant heeft elektrische stroom onschatbare eigenschappen die worden gebruikt in het dagelijks leven en de technologie, aan de andere kant is er aanzienlijke oppositie. Natuurkunde, als natuurwetenschap, probeert een evenwicht te vinden, deze omstandigheden in overeenstemming te brengen.
Huidige weerstand ontstaat door de interactie van elektrisch geladen deeltjes met de stof waardoor ze bewegen. Het is onmogelijk om dit proces onder normale temperatuuromstandigheden uit te sluiten.
Weerstand
De interne weerstand van de stroombron en de weerstand van het externe deel van het circuit zijn van een iets andere aard, maar hetzelfde in deze processen is het werk dat wordt gedaan om de lading te verplaatsen.
Het werk zelf hangt alleen af van de eigenschappen van de bron en de inhoud ervan: de kwaliteiten van de elektroden en elektrolyt, evenals voor de externe delen van het circuit, waarvan de weerstand afhangt van de geometrische parameters en chemische eigenschappen van het materiaal. De weerstand van een metaaldraad neemt bijvoorbeeld toe met een toename in lengte en neemt af met een toename van het dwarsdoorsnede-oppervlak. Bij het oplossen van het probleem hoe weerstand te verminderen, raadt de natuurkunde aan om gespecialiseerde materialen te gebruiken.
Werkstroom
Volgens de wet van Joule-Lenz is de hoeveelheid warmte die vrijkomt in geleiders evenredig met de weerstand. Als we de hoeveelheid warmte aanduiden als Qint., de sterkte van de stroom I, de tijd van zijn stroom t, dan krijgen we:
Qint=I2 · r t,
waar r de interne weerstand van de bron ishuidige.
In het hele circuit, inclusief zowel de interne als de externe delen, zal de totale hoeveelheid warmte vrijkomen, waarvan de formule is:
Qfull=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Het is bekend hoe weerstand wordt aangeduid in de natuurkunde: een extern circuit (alle elementen behalve de bron) heeft weerstand R.
Wet van Ohm voor een compleet circuit
Houd er rekening mee dat het belangrijkste werk wordt gedaan door externe krachten binnen de huidige bron. De waarde is gelijk aan het product van de lading gedragen door het veld en de elektromotorische kracht van de bron:
q E=I2 (r + R) t.
beseffend dat de lading gelijk is aan het product van de huidige sterkte en de tijd van zijn stroom, hebben we:
E=ik (r + R)
Volgens oorzaak-en-gevolg relaties heeft de wet van Ohm de vorm:
I=E: (r + R)
De stroom in een gesloten circuit is recht evenredig met de EMF van de stroombron en omgekeerd evenredig met de totale (totale) weerstand van het circuit.
Op basis van dit patroon is het mogelijk om de interne weerstand van de stroombron te bepalen.
Bron ontladingscapaciteit
Ontladingscapaciteit kan ook worden toegeschreven aan de belangrijkste kenmerken van de bronnen. De maximale hoeveelheid elektriciteit die onder bepaalde omstandigheden kan worden verkregen, hangt af van de sterkte van de ontlaadstroom.
In het ideale geval, wanneer bepaalde benaderingen worden gemaakt, kan de afvoercapaciteit als constant worden beschouwd.
KEen standaard accu met een potentiaalverschil van 1,5 V heeft bijvoorbeeld een ontlaadcapaciteit van 0,5 Ah. Als de ontlaadstroom 100 mA is, werkt deze 5 uur.
Methoden voor het opladen van batterijen
Exploitatie van batterijen leidt tot hun ontlading. Het herstellen van batterijen, het opladen van kleine cellen wordt uitgevoerd met een stroom waarvan de sterkte niet groter is dan een tiende van de broncapaciteit.
De volgende oplaadmethoden zijn beschikbaar:
- constante stroom gebruiken gedurende een bepaalde tijd (ongeveer 16 uur stroom 0,1 batterijcapaciteit);
- opladen met een step-down stroom tot een vooraf bepaalde potentiaalverschilwaarde;
- gebruik van ongebalanceerde stromen;
- opeenvolgende toepassing van korte pulsen van opladen en ontladen, waarbij de tijd van de eerste de tijd van de tweede overschrijdt.
Praktisch werk
De taak wordt voorgesteld: om de interne weerstand van de huidige bron en EMV te bepalen.
Om het uit te voeren, moet je een stroombron, een ampèremeter, een voltmeter, een schuifregelaar, een sleutel, een set geleiders in voorraad hebben.
Het gebruik van de wet van Ohm voor een gesloten circuit bepa alt de interne weerstand van de stroombron. Om dit te doen, moet u de EMF weten, de waarde van de weerstand van de regelweerstand.
De berekeningsformule voor de stroomweerstand in het buitenste deel van het circuit kan worden bepaald uit de wet van Ohm voor het circuitgedeelte:
I=U: R,
waarbij I de stroomsterkte in het buitenste deel van het circuit is, gemeten met een ampèremeter; U - spanning op de externeweerstand.
Om de nauwkeurigheid te verbeteren, worden de metingen minstens 5 keer uitgevoerd. Waar is het voor? De spanning, weerstand, stroom (of liever, stroomsterkte) gemeten tijdens het experiment worden hieronder gebruikt.
Om de EMF van de stroombron te bepalen, gebruiken we het feit dat de spanning op de klemmen met de sleutel open bijna gelijk is aan de EMF.
Laten we een circuit samenstellen uit een batterij, een weerstand, een ampèremeter, een in serie geschakelde sleutel. We sluiten een voltmeter aan op de klemmen van de stroombron. Nadat we de sleutel hebben geopend, nemen we de waarden op.
Interne weerstand, waarvan de formule wordt verkregen uit de wet van Ohm voor een compleet circuit, wordt bepaald door wiskundige berekeningen:
- I=E: (r + R).
- r=E: ik – U: ik.
Metingen tonen aan dat de interne weerstand veel minder is dan de externe.
De praktische functie van oplaadbare batterijen en batterijen wordt veel gebruikt. De onbetwistbare milieuveiligheid van elektromotoren staat buiten kijf, maar het creëren van een ruime, ergonomische batterij is een probleem van de moderne fysica. De oplossing zal leiden tot een nieuwe ronde in de ontwikkeling van autotechnologie.
Kleine, lichtgewicht batterijen met hoge capaciteit zijn ook essentieel in mobiele elektronische apparaten. De hoeveelheid energie die erin wordt gebruikt, is direct gerelateerd aan de prestaties van de apparaten.
