זרם חשמלי במוליך נוצר בהשפעת שדה חשמלי, מה שמאלץ חלקיקים טעונים חופשיים להיכנס לתנועה מכוונת. יצירת זרם חלקיקים היא בעיה רצינית. לבנות מכשיר כזה שישמור על ההבדל הפוטנציאלי של השדה לאורך זמן במדינה אחת היא משימה שהאנושות תוכל לפתור רק עד סוף המאה ה-18.
נסיונות ראשונים
הניסיונות הראשונים "לצבור חשמל" להמשך המחקר והשימוש בו נעשו בהולנד. הגרמני אוולד יורגן פון קלייסט ופיטר ואן מושנברוק ההולנדי, שערכו את מחקרם בעיירה ליידן, יצרו את הקבל הראשון בעולם, שנקרא לימים "צנצנת ליידן".
הצטברות המטען החשמלי כבר התרחשה תחת פעולת החיכוך המכני. ניתן היה להשתמש בפריקה דרך מוליך לפרק זמן מסוים, די קצר.
ניצחונו של המוח האנושי על חומר ארעאלי כמו חשמל התברר כמהפכני.
למרבה הצער, פריקה (זרם חשמלי שנוצר על ידי קבל)נמשך כל כך קצר שהוא לא יכול ליצור זרם ישר. בנוסף, המתח שמספק הקבל מופחת בהדרגה, מה שלא מאפשר לקבל זרם רציף.
הייתי צריך לחפש דרך אחרת.
מקור ראשון
ניסויי "חשמל בעלי חיים" של איטלקית גלווני היו ניסיון מקורי למצוא מקור טבעי של זרם בטבע. תלה את רגליהן של צפרדעים מנותחות על ווי מתכת של סריג ברזל, הוא משך את תשומת הלב לתגובה האופיינית של קצות העצבים.
עם זאת, איטלקי אחר, אלסנדרו וולטה, הפריך את מסקנותיו של גלווני. התעניין באפשרות להשיג חשמל מאורגניזמים של בעלי חיים, הוא ערך סדרה של ניסויים עם צפרדעים. אבל המסקנה שלו התבררה כהיפך הגמור מההשערות הקודמות.
וולטה הפנה את תשומת הלב לעובדה שאורגניזם חי הוא רק אינדיקטור לפריקה חשמלית. כאשר הזרם חולף, שרירי הרגליים מתכווצים, מה שמעיד על הבדל פוטנציאלי. מקור השדה החשמלי היה מגע של מתכות שונות. ככל שהם מרוחקים זה מזה בסדרה של יסודות כימיים, כך ההשפעה גדולה יותר.
לוחות של מתכות שונות, שהונחו בדסקיות נייר ספוגות בתמיסת אלקטרוליט, יצרו את הפרש הפוטנציאל הדרוש במשך זמן רב. ותן לזה להיות נמוך (1.1 V), אבל את הזרם החשמלי אפשר לחקור במשך זמן רב. העיקר שהמתח נשאר ללא שינוי למשך זמן רב.
מה קורה
מדוע מקורות המכונים "תאים גלווניים" גורמים להשפעה כזו?
שתי אלקטרודות מתכת הממוקמות בדיאלקטרי ממלאות תפקידים שונים. אחד מספק אלקטרונים, השני מקבל אותם. תהליך תגובת החיזור מוביל להופעת עודף אלקטרונים על אלקטרודה אחת, הנקראת הקוטב השלילי, וחסר בשנייה, נסמן אותו כקוטב החיובי של המקור.
בתאים הגלווניים הפשוטים ביותר, תגובות חמצון מתרחשות על אלקטרודה אחת, ותגובות הפחתה מתרחשות על השנייה. אלקטרונים מגיעים אל האלקטרודות מהחלק החיצוני של המעגל. האלקטרוליט הוא מוליך הזרם של היונים בתוך המקור. עוצמת ההתנגדות קובעת את משך התהליך.
אלמנט נחושת-אבץ
מעניין לשקול את עקרון הפעולה של תאים גלווניים באמצעות הדוגמה של תא גלווני נחושת-אבץ, שפעולתו נובעת מהאנרגיה של אבץ וסולפט נחושת. במקור זה מניחים פלטת נחושת בתמיסת נחושת סולפט, ואלקטרודת אבץ טבולה בתמיסת אבץ סולפט. הפתרונות מופרדים על ידי מרווח נקבובי כדי למנוע ערבוב, אך חייבים להיות במגע.
אם המעגל סגור, שכבת פני השטח של אבץ מתחמצנת. בתהליך האינטראקציה עם הנוזל מופיעים בתמיסה אטומי אבץ, לאחר שהפכו ליונים. אלקטרונים משתחררים על האלקטרודה, שיכולים לקחת חלק ביצירת הזרם.
הגעה לאלקטרודת הנחושת, האלקטרונים לוקחים חלק בתגובת ההפחתה. מפתרון, יוני נחושת נכנסים לשכבת פני השטח, בתהליך ההפחתה הם הופכים לאטומי נחושת, משקעים על לוח הנחושת.
לסיכום מה קורה: תהליך הפעולה של תא גלווני מלווה בהעברת אלקטרונים מהחומר המצמצם לחומר המחמצן לאורך החלק החיצוני של המעגל. תגובות מתרחשות על שתי האלקטרודות. זרם יונים זורם בתוך המקור.
קושי בשימוש
באופן עקרוני, ניתן להשתמש בכל אחת מתגובות החיזור האפשריות בסוללות. אבל אין כל כך הרבה חומרים המסוגלים לעבוד באלמנטים בעלי ערך טכני. יתרה מכך, תגובות רבות דורשות חומרים יקרים.
לסוללות מודרניות יש מבנה פשוט יותר. שתי אלקטרודות המונחות באלקטרוליט אחד ממלאות את הכלי - מארז הסוללה. תכונות עיצוב כאלה מפשטות את המבנה ומפחיתות את עלות הסוללות.
כל תא גלווני מסוגל להפיק זרם ישר.
ההתנגדות של הזרם אינה מאפשרת לכל היונים להיות על האלקטרודות בו זמנית, ולכן האלמנט עובד לאורך זמן. תגובות כימיות של יצירת יונים מפסיקות במוקדם או במאוחר, היסוד נפרק.
ההתנגדות הפנימית של מקור זרם חשובה.
קצת על התנגדות
השימוש בזרם חשמלי, ללא ספק, הביא את הקידמה המדעית והטכנולוגית לרמה חדשה, נתן לו דחיפה ענקית. אבל כוח ההתנגדות לזרימת הזרם מפריע להתפתחות כזו.
מצד אחד, לזרם החשמלי יש תכונות שלא יסולא בפז המשמשות בחיי היומיום ובטכנולוגיה, מצד שני, יש התנגדות משמעותית. הפיזיקה, כמדע של הטבע, מנסה ליצור איזון, להתאים את הנסיבות הללו.
התנגדות זרם נוצרת עקב אינטראקציה של חלקיקים טעונים חשמלית עם החומר שדרכו הם נעים. אי אפשר לכלול תהליך זה בתנאי טמפרטורה רגילים.
התנגדות
ההתנגדות הפנימית של מקור הזרם וההתנגדות של החלק החיצוני של המעגל הם בעלי אופי שונה במקצת, אך זהה בתהליכים אלה העבודה שנעשית כדי להזיז את המטען.
העבודה עצמה תלויה רק בתכונות המקור ובתוכן שלו: איכויות האלקטרודות והאלקטרוליט, כמו גם בחלקים החיצוניים של המעגל, שהתנגדותם תלויה בפרמטרים הגיאומטריים והכימיקלים מאפייני החומר. לדוגמה, ההתנגדות של חוט מתכת עולה עם עלייה באורכו ויורדת עם הרחבת שטח החתך. בעת פתרון הבעיה של איך להפחית התנגדות, הפיזיקה ממליצה להשתמש בחומרים מיוחדים.
עבודה נוכחית
בהתאם לחוק Joule-Lenz, כמות החום המשתחררת במוליכים היא פרופורציונלית להתנגדות. אם אנו מייעדים את כמות החום כ-Qint., עוצמת הזרם I, זמן זרימתו t, אז נקבל:
Qint=I2 · r t,
כאשר r הוא ההתנגדות הפנימית של המקורנוכחי.
בכל המעגל, כולל החלקים הפנימיים והחיצוניים כאחד, תשתחרר כמות החום הכוללת, שהנוסחה שלה היא:
Qfull=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
ידוע איך התנגדות מסומנת בפיזיקה: למעגל חיצוני (כל האלמנטים מלבד המקור) יש התנגדות R.
חוק אוהם למעגל שלם
קח בחשבון שהעבודה העיקרית נעשית על ידי כוחות חיצוניים בתוך המקור הנוכחי. ערכו שווה למכפלת המטען שנושא השדה ולכוח האלקטרו-מוטיבי של המקור:
q E=I2 (r + R) t.
כדי להבין שהמטען שווה למכפלת החוזק הנוכחי וזמן הזרימה שלו, יש לנו:
E=I (r + R)
לפי קשרי סיבה ותוצאה, לחוק אוהם יש את הצורה:
I=E: (r + R)
הזרם במעגל סגור עומד ביחס ישר ל-EMF של מקור הזרם וביחס הפוך לסך ההתנגדות (סה כ) של המעגל.
בהתבסס על דפוס זה, ניתן לקבוע את ההתנגדות הפנימית של המקור הנוכחי.
קיבולת פריקת מקור
ניתן לייחס יכולת פריקה גם למאפיינים העיקריים של המקורות. כמות החשמל המקסימלית שניתן להשיג בהפעלה בתנאים מסוימים תלויה בעוצמת זרם הפריקה.
במקרה האידיאלי, כשנעשים קירובים מסוימים, יכולת הפריקה יכולה להיחשב קבועה.
Kלדוגמה, לסוללה רגילה בהפרש פוטנציאל של 1.5 V יש קיבולת פריקה של 0.5 Ah. אם זרם הפריקה הוא 100mA, הוא פועל למשך 5 שעות.
שיטות לטעינת סוללות
ניצול של סוללות מוביל לפריקתן. שחזור סוללות, טעינת תאים קטנים מתבצעת באמצעות זרם שערך החוזק שלו אינו עולה על עשירית מקיבולת המקור.
שיטות הטעינה הבאות זמינות:
- בשימוש בזרם קבוע למשך זמן מוגדר (כ-16 שעות זרם 0.1 קיבולת סוללה);
- טעינה עם זרם מטה לערך הפרש פוטנציאלי קבוע מראש;
- שימוש בזרמים לא מאוזנים;
- יישום עוקב של פולסים קצרים של טעינה ופריקה, שבהם הזמן של הראשון עולה על הזמן של השני.
עבודה מעשית
המשימה מוצעת: לקבוע את ההתנגדות הפנימית של המקור הנוכחי ושל EMF.
כדי לבצע את זה, אתה צריך להצטייד במקור זרם, מד זרם, מד מתח, ראוסטט מחוון, מפתח, סט מוליכים.
שימוש בחוק אוהם למעגל סגור יקבע את ההתנגדות הפנימית של המקור הנוכחי. כדי לעשות זאת, אתה צריך לדעת את ה-EMF שלו, ערך ההתנגדות של הריאוסטט.
ניתן לקבוע את נוסחת החישוב של התנגדות הזרם בחלק החיצוני של המעגל מחוק אוהם לקטע המעגל:
I=U: R,
כאשר I הוא עוצמת הזרם בחלק החיצוני של המעגל, נמדד במד זרם; U - מתח על החיצוניהתנגדות.
כדי לשפר את הדיוק, מדידות נלקחות לפחות 5 פעמים. לשם מה זה? המתח, ההתנגדות, הזרם (או ליתר דיוק, חוזק הזרם) שנמדדו במהלך הניסוי משמשים להלן.
כדי לקבוע את EMF של המקור הנוכחי, אנו משתמשים בעובדה שהמתח במסופים שלו כשהמפתח פתוח כמעט שווה ל-EMF.
בואו נרכיב מעגל מסוללה, ריאוסטט, מד זרם, מפתח מחובר בסדרה. אנו מחברים מד מתח למסופים של המקור הנוכחי. לאחר פתיחת המפתח, אנו מבצעים את קריאותיו.
התנגדות פנימית, שהנוסחה שלה מתקבלת מחוק אוהם למעגל שלם, נקבעת על ידי חישובים מתמטיים:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
מדידות מראות שההתנגדות הפנימית קטנה בהרבה מזו החיצונית.
הפונקציה המעשית של סוללות וסוללות נטענות נמצאת בשימוש נרחב. הבטיחות הסביבתית הבלתי מעורערת של מנועים חשמליים היא מעבר לכל ספק, אבל יצירת סוללה ארגונומית מרווחת היא בעיה של הפיזיקה המודרנית. הפתרון שלה יוביל לסבב חדש בפיתוח טכנולוגיית הרכב.
סוללות קטנות, קלות משקל ובעלות קיבולת גבוהה הן חיוניות גם במכשירים אלקטרוניים ניידים. כמות האנרגיה המשמשת בהם קשורה ישירות לביצועי המכשירים.
