Šta se dešava u izvoru električne struje. Električna struja, izvori električne struje: definicija i suština. Iz istorije izuma

Predgovor.

Šta je električna struja i šta je potrebno za njen nastanak i postojanje za vrijeme koje nam je potrebno?

Riječ "struja" znači kretanje ili tok nečega. Električna struja je uređeno (usmjereno) kretanje nabijenih čestica. Da biste dobili električnu struju u vodiču, morate stvoriti električno polje u njemu. Da bi električna struja postojala u vodiču dugo vremena, potrebno je cijelo to vrijeme u njemu održavati električno polje. U provodnicima se stvara električno polje koje se može održavati dugo vremena izvora električne struje . Trenutno čovječanstvo koristi četiri glavna izvora struje: statički, kemijski, mehanički i poluvodički (solarne baterije), ali se u svakom od njih radi na razdvajanju pozitivno i negativno nabijenih čestica. Odvojene čestice se akumuliraju na polovima izvora struje, što je naziv za mjesta na koja su provodnici spojeni pomoću stezaljki ili stezaljki. Jedan pol izvora struje je nabijen pozitivno, drugi - negativno. Ako su polovi povezani vodičem, tada će se pod utjecajem polja kretati slobodne nabijene čestice u vodiču i nastati će električna struja.

Struja.

Izvori električne struje.

Sve do 1650. godine, kada se u Evropi pojavilo veliko interesovanje za električnu energiju, nije bilo poznatog načina za lako dobijanje velikih električnih naboja. Uz sve veći broj naučnika zainteresiranih za električna istraživanja, moglo bi se očekivati ​​stvaranje sve jednostavnijih i efikasnijih načina generiranja električnih naboja.

Otto von Guericke izumio je prvu električnu mašinu. Sipao je rastopljeni sumpor u šuplju staklenu kuglu, a onda, kada se sumpor stvrdnuo, razbio je staklo, ne sluteći da i sama staklena kugla može jednako dobro poslužiti njegovim svrhama. Guericke je zatim ojačao sumpornu kuglu kao što je prikazano na slici 1, tako da se može rotirati pomoću ručke. Da bi se dobio naboj, bilo je potrebno jednom rukom rotirati loptu, a drugom pritisnuti komad kože na nju. Trenje je podiglo potencijal lopte na vrijednost dovoljnu da proizvede iskre duge nekoliko centimetara.

Ova mašina je bila bolna

velika pomoć u eksperimentalnom radu

nom studira elektriku, ali

još težih zadataka „čuvanja

snabdijevanje" i "rezerva" električne energije

riješene su optužbe

samo zahvaljujući onome što sledi

napredak fizike. Činjenica je da to moćno naplaćuje

mogu se stvoriti na tijelima pomoću elektrostatike

Guerickeovi automobili su brzo nestali. U početku se mislilo da je razlog tome „isparavanje“ naboja. Spriječiti

Za „isparavanje“ naelektrisanja predloženo je zatvaranje naelektrisanih tela u zatvorene posude od izolacionog materijala. Naravno, za takve su posude izabrane staklene boce, a kao elektrificirani materijal odabrana je voda, jer se lako sipa u boce. Da bi se voda mogla puniti bez otvaranja boce, kroz čep je provučen ekser. Ideja je bila dobra, ali iz tada nepoznatih razloga uređaj nije radio tako dobro. Kao rezultat intenzivnih eksperimenata, ubrzo je otkriveno da se pohranjeni naboj, a time i sila električnog udara, može dramatično povećati ako se boca iznutra i izvana obloži provodljivim materijalom, poput tankih listova folije. Štoviše, ako spojite čavao pomoću dobrog vodiča na sloj metala unutar boce, ispada da uopće možete bez vode. Ovo novo „skladištenje“ električne energije izumljeno je 1745. godine u holandskom gradu Leidenu i nazvano je Leyden jar (slika 2).

Prvi koji je otkrio drugačiju mogućnost za proizvodnju električne energije od naelektrisanja trenjem bio je italijanski naučnik Luiđi Galvani (1737-1798). Po zanimanju je bio biolog, ali je radio u laboratoriji u kojoj su vršeni eksperimenti sa strujom. Galvani je otkrio fenomen koji je bio poznat mnogima prije njega; sastojala se u činjenici da ako je živac noge mrtve žabe uzbuđen varnicom iz električne mašine, onda je cijela noga počela da se skuplja. Ali jednog dana Galvani je primijetio da se šapa počela pomicati kada je samo čelični skalpel došao u kontakt sa živcem šape. Najviše iznenađuje to što nije bilo kontakta između električne mašine i skalpela. Ovo nevjerovatno otkriće natjeralo je Galvanija da provede niz eksperimenata kako bi otkrio uzrok električne struje. Jedan od eksperimenata izveo je Galvani kako bi otkrio da li su isti pokreti u šapi uzrokovani elektricitetom munje. Da bi to učinio, Galvani je objesio nekoliko žabljih nogu na mjedene kuke na prozoru prekrivenom željeznim rešetkama. I otkrio je, suprotno njegovim očekivanjima, da se kontrakcije šapa dešavaju bilo kada, bez obzira na vremenske uslove. Pokazalo se da je prisustvo električne mašine ili drugog izvora električne energije u blizini bilo nepotrebno. Galvani je dalje ustanovio da se umjesto željeza i mesinga mogu koristiti bilo koja dva različita metala, a kombinacija bakra i cinka izazvala je fenomen u najrazličitijem obliku. Staklo, guma, smola, kamen i suvo drvo nisu imali nikakvog efekta. Stoga je porijeklo struje još uvijek ostalo misterija. Gdje se pojavljuje struja - samo u tkivima žabljeg tijela, samo u različitim metalima, ili u kombinaciji metala i tkiva? Nažalost, Galvani je došao do zaključka da struja nastaje isključivo u tkivima žabljeg tijela. Kao rezultat toga, njegovim savremenicima koncept "životinjskog elektriciteta" je počeo da se čini mnogo stvarnijim od elektriciteta bilo kog drugog porekla.

Drugi talijanski naučnik Alessandro Volta (1745-1827) konačno je dokazao da ako stavite žablje krakove u vodene otopine određenih tvari, onda u tkivima žabe ne nastaje galvanska struja. To je posebno bio slučaj za izvorsku ili općenito čistu vodu; ova struja se pojavljuje kada se u vodu dodaju kiseline, soli ili alkalije. Očigledno, najveća struja se javila u kombinaciji bakra i cinka stavljenih u razrijeđenu otopinu sumporne kiseline. Kombinacija dviju ploča različitih metala uronjenih u vodenu otopinu lužine, kiseline ili soli naziva se galvanska (ili kemijska) ćelija.

Kada bi samo trenje i hemijski procesi u galvanskim ćelijama bili sredstvo za dobijanje elektromotorne sile, onda bi cena električne energije koja je potrebna za rad različitih mašina bila izuzetno visoka. Kao rezultat velikog broja eksperimenata, znanstvenici iz različitih zemalja došli su do otkrića koja su omogućila stvaranje mehaničkih električnih strojeva koji proizvode relativno jeftinu električnu energiju.

Početkom 19. stoljeća Hans Christian Oersted je otkrio potpuno novu električnu pojavu, koja se sastojala u tome da kada struja prolazi kroz provodnik, oko njega nastaje magnetsko polje. Nekoliko godina kasnije, 1831. godine, Faraday je napravio još jedno otkriće, jednako po značaju Oerstedovom otkriću. Faraday je otkrio da kada pokretni provodnik pređe linije magnetskog polja, u vodiču se inducira elektromotorna sila, koja uzrokuje struju u kolu u kojem je provodnik uključen. Inducirani EMF se mijenja direktno proporcionalno brzini kretanja, broju provodnika i jačini magnetnog polja. Drugim riječima, inducirana emf je direktno proporcionalna broju linija sile koje provodnik prelazi u jedinici vremena. Kada provodnik pređe 100.000.000 linija sile u 1 sekundi, indukovana emf je jednaka 1 voltu. Ručnim pomicanjem jednog provodnika ili zavojnice žice u magnetskom polju ne mogu se dobiti velike struje. Efikasniji način je namotati žicu na veliki kalem ili napraviti kalem u bubanj. Zavojnica se zatim montira na osovinu koja se nalazi između polova magneta i rotira silom vode ili pare. Tako, u suštini, radi generator električne struje, koji spada u mehaničke izvore električne struje i aktivno ga koristi čovječanstvo u današnje vrijeme.
Ljudi koriste solarnu energiju od davnina. Još 212. godine pne. e. Uz pomoć koncentrisanih sunčevih zraka palili su svetu vatru u blizini hramova. Prema legendi, otprilike u isto vrijeme, grčki naučnik Arhimed, dok je branio svoj rodni grad, zapalio je jedra brodova rimske flote.

Sunce je termonuklearni reaktor koji se nalazi 149,6 miliona km od Zemlje i emituje energiju koja do Zemlje stiže uglavnom u obliku elektromagnetnog zračenja. Najveći dio energije sunčevog zračenja koncentrisan je u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra. Sunčevo zračenje je neiscrpni obnovljivi izvor ekološki prihvatljive energije. Bez štete po ekološku okolinu može se iskoristiti 1,5% sve sunčeve energije koja padne na zemlju, tj. 1,62 *10 16 kilovat sati godišnje, što je ekvivalentno ogromnoj količini standardnog goriva - 2 *10 12 tona.

Napori dizajnera idu putem korištenja fotoćelija za direktno pretvaranje sunčeve energije u električnu energiju. Fotokonvertori, koji se nazivaju i solarni paneli, sastoje se od niza fotoćelija povezanih u seriju ili paralelno. Ako pretvarač mora puniti bateriju koja napaja, na primjer, radio uređaj za vrijeme oblačnih vremena, onda se povezuje paralelno sa terminalima solarne baterije (slika 3). Elementi koji se koriste u solarnim baterijama moraju imati visoku efikasnost, povoljne spektralne karakteristike, nisku cijenu, jednostavan dizajn i malu težinu. Nažalost, samo nekoliko fotoćelija koje su danas poznate barem djelimično ispunjavaju ove zahtjeve. To su prvenstveno neke vrste poluvodičkih fotoćelija. Najjednostavniji od njih je selen. Nažalost, efikasnost najboljih selenskih fotoćelija je niska (0,1...1%).

Osnova solarnih baterija su silikonski fotokonvertori, koji imaju oblik okruglih ili pravokutnih ploča debljine 0,7 - 1 mm i površine do 5 - 8 cm2. Iskustvo je pokazalo da mali elementi površine oko 1 kvadratni metar daju dobre rezultate. vidite, ima efikasnost od oko 10%. Takođe su kreirane fotoćelije od poluprovodničkih metala sa teoretskom efikasnošću od 18%. Inače, praktična efikasnost fotoelektričnih pretvarača (oko 10%) prevazilazi efikasnost parne lokomotive (8%), efikasnost solarne energije u biljnom svetu (1%), kao i efikasnost mnogih hidrauličnih i vjetroelektrane. Fotonaponski pretvarači imaju gotovo neograničenu trajnost. Za poređenje možemo dati vrijednosti efikasnosti različitih izvora električne energije (u procentima): termoelektrana - 20-30, termoelektrični pretvarač - 6 - 8, fotoćelija selena - 0,1 - 1, solarna baterija - 6 - 11, gorivne ćelije - 70, olovni akumulator - 80 - 90.

Boeing (SAD) je 1989. godine stvorio dvoslojnu fotoćeliju koja se sastoji od dva poluprovodnika - galijum arsenida i galij antimonida - sa faktorom konverzije sunčeve energije u električnu energiju od 37%, što je sasvim uporedivo sa efikasnošću modernih termalnih i nuklearne elektrane. Nedavno je dokazano da fotonaponska metoda pretvaranja solarne energije teoretski omogućava korištenje solarne energije sa efikasnošću do 93%! Ali u početku se vjerovalo da maksimalna gornja granica efikasnosti solarnih ćelija nije veća od 26%, tj. znatno niža od efikasnosti toplotnih motora na visokim temperaturama.

Solarne baterije se trenutno koriste uglavnom u svemiru, a na Zemlji samo za napajanje autonomnih potrošača snage do 1 kW, napajanje za radio navigaciju

i elektronska oprema male snage, pogoni za eksperimentalna električna vozila i avione. Kako se solarni paneli budu usavršavali, oni će naći primenu u stambenim zgradama za autonomno napajanje, tj. grijanje i snabdijevanje toplom vodom, kao i za proizvodnju električne energije za rasvjetu i napajanje kućnih električnih uređaja.

Izvori električne struje Izvršio: Anton Rubcov, učenik 8 B razreda Opštinske obrazovne ustanove Srednja škola br. 105 Naučni rukovodilac: E. A. Maslova, nastavnik fizike

Odabirom teme želio sam proučiti povijest stvaranja izvora električne struje, a također i napraviti neke izvore vlastitim rukama, ponavljajući eksperimente poznatih naučnika. Relevantnost Čovječanstvo ne može postojati bez električne energije, a možda će neko moći otkriti nove izvore električne struje koji su ekonomičniji i jeftiniji. Svrha rada je proučavanje glavnih vrsta izvora električne struje, principa njihovog rada i izrade izvora vlastitim rukama. Ciljevi: 1. Razmotriti glavne vrste izvora električne struje. 2. Proučiti princip rada izvora struje. 3. Napravite neke izvore vlastitim rukama.

Glavni dio Izvor struje je uređaj u kojem se neka vrsta energije pretvara u električnu energiju. U bilo kojem izvoru struje radi se na razdvajanju pozitivno i negativno nabijenih čestica koje se akumuliraju na polovima izvora. Električna struja je usmjereno (uređeno) kretanje nabijenih čestica (elektrona, jona itd.) Za smjer struje uzima se smjer kretanja pozitivno nabijenih čestica. Ako struju stvaraju negativno nabijene čestice (na primjer, elektroni), tada se smjer struje smatra suprotnim od smjera kretanja čestica.

Istorija nastanka prvih aktuelnih izvora

Svojstva ćilibara Tales iz Mileta je prvi obratio pažnju na električni naboj. Otkrio je da ćilibar, protrljan vunom, stječe svojstva privlačenja malih predmeta. Fosilizirana smola drevnih stabala koja su rasla na našoj planeti prije 38-120 miliona godina.

Električna mašina Otto von Guericke Otto von Guericke izumio je prvu električnu mašinu. Sipao je rastopljeni sumpor u šuplju staklenu kuglu, a zatim, kada se sumpor stvrdnuo, razbio je staklo. Guericke je zatim ojačao sumpornu kuglu tako da se može rotirati ručkom. Da bi se dobio naboj, bilo je potrebno jednom rukom rotirati loptu, a drugom pritisnuti komad kože na nju. Trenje je podiglo napetost lopte na vrijednost dovoljnu da proizvede varnice duge nekoliko centimetara.

Leyden tegla Leyden tegla je staklena boca umotana u foliju sa obe strane. Unutar tegle se nalazi metalna šipka. Tegla povezana pločama sa električnom mašinom mogla bi akumulirati značajnu količinu električne energije. Kada bi se njegove ploče spojile komadom debele žice, tada bi na mjestu kratkog spoja skočila jaka iskra, a nakupljeni električni naboj bi momentalno nestao. To je omogućilo dobijanje kratkotrajne električne struje. Zatim je teglu trebalo ponovo napuniti. Sada takve uređaje nazivamo električnim kondenzatorima.

Galvanijev element Luigi Galvani (1737-1798) jedan je od osnivača doktrine elektriciteta; njegovi eksperimenti sa "životinjskim" elektricitetom postavili su temelj za novi naučni pravac - elektrofiziologiju. Kao rezultat eksperimenata sa žabama, Galvani je sugerirao postojanje elektriciteta unutar živih organizama. Po njemu je nazvana galvanska ćelija, baterija.

Voltaični stub Alesandro Volta (1745 - 1827) - italijanski fizičar, hemičar i fiziolog, pronalazač izvora jednosmerne električne struje. Njegov prvi izvor struje je "naponski stup". Volta je naizmjenično postavljao nekoliko desetina malih krugova od cinka i srebra jedan na drugi, stavljajući između njih papir navlažen slanom vodom.

Glavne vrste izvora električne struje Mehanička Termička Svjetlost Hemijski Termički element Fotoćelija Elektrofor mašina Galvanska ćelija

Životinjski izvori struje

Elektricitet unutar živih organizama Mnoge biljke doživljavaju štetne struje. Dijelovi listova i stabljike su uvijek negativno nabijeni u odnosu na normalno tkivo.

Životinje koje proizvode električnu struju Električna raža (do 220 V) Američki som (do 360 V) Jegulja (do 1200 V)

Voće i povrće koje proizvodi električnu struju. Voće i povrće možemo podijeliti na ono koje inicijalno sadrži i ono koje procesom oksidacije stiče intraalkalnu ili kiselu ravnotežu. Prvi uključuju citrusno voće (limun) i krompir. A za drugi, na primjer, kiseli krastavac i kiseli paradajz.

Atmosferski elektricitet Kada se zrak kreće, razne zračne struje se naelektriziraju kao rezultat kontakta. Jedan dio oblaka (gornji) je pozitivno naelektrisan, a drugi (donji) je negativno naelektrisan. U trenutku kada naelektrisanje oblaka postane veliko, moćna električna iskra — munja — skače između njegova dva naelektrisana dela.

Praktični dio

Domaće baterije Za izradu domaćih baterija biće nam potrebni instrumenti i materijali: Bakarna ploča Cinkova ploča limun, krastavac, soda, voda, kovanice Voltmetar Spojne žice

Galvanska ćelija od limuna Proizvodi električnu struju sa naponom

Galvanska ćelija iz prvog kiselog krastavca Proizvodi električnu struju naponom

Galvanska ćelija iz drugog i trećeg krastavca

Baterija od dva kisela krastavca proizvodi električnu struju sa naponom

Baterija od tri kisela krastavca proizvodi električnu struju sa naponom

Sijalica spojena na lanac od tri kisela krastavca.Lanac je sklopljen.Sijalica se pali.

Soda baterija Proizvodi električnu struju sa naponom

Soda baterija od dvije i tri ćelije

Sijalica spojena na kolo od tri soda elementa.Kolo je sastavljeno.Sijalica svijetli.

Slana baterija Proizvodi električnu struju sa naponom

Zaključak U cilju postizanja cilja ovog rada, riješio sam sljedeće probleme: Razmotrili smo glavne vrste izvora električne struje. 1. Mehanički izvori struje 2. Izvori toplotne struje 3. Izvori svjetlosne struje 4. Hemijski izvori struje Proučavao princip rada izvora struje. Napravio sam neke izvore vlastitim rukama. 1. Galvanska ćelija od limuna. 2. Galvanska ćelija od kiselog krastavca. 3. Soda baterija. 4. Slana baterija.

Bibliografija Abramov S.S. Velika enciklopedija Ćirila i Mitodija. 2009 Wikipedia - slobodna enciklopedija. www. ru. wikipedia. org. Julian Holland. Velika ilustrovana enciklopedija erudita. "Swallowtail" 2001; Kartsev V.P. Avanture velikih jednačina. M.: Obrazovanje, 2007

Iz predmeta fizike svi znaju da električna struja znači usmjereno, uređeno kretanje čestica koje nose naboj. Da bi se to dobilo, u vodiču se formira električno polje. Isto je potrebno da bi električna struja nastavila postojati dugo vremena.

Izvori električne struje mogu biti:

• statički;
• hemijski;
• mehanički;
• poluprovodnik.

U svakom od njih se obavlja rad pri čemu se odvajaju različito nabijene čestice, odnosno stvara se električno polje izvora struje. Nakon razdvajanja, akumuliraju se na polovima, na mjestima gdje su provodnici spojeni. Kada su polovi povezani vodičem, nabijene čestice počinju da se kreću i stvara se električna struja.

Izvori električne struje: izum električne mašine

Sve do sredine sedamnaestog veka, stvaranje električne struje zahtevalo je mnogo truda. Istovremeno je rastao i broj naučnika koji rade na ovom pitanju. I tako je Otto von Guericke izumio prvu električnu mašinu na svijetu. U jednom od eksperimenata sa sumporom, on se, rastopljen unutar šuplje staklene kugle, stvrdnuo i razbio staklo. Guericke je ojačao loptu tako da se može rotirati. Rotirajući ga i pritiskajući komad kože, dobio je iskru. znatno je olakšalo dobijanje kratkoročne električne energije. Ali teži problemi rješavani su tek daljim razvojem nauke.

Problem je bio što su Guerickeove optužbe brzo nestale. Da bi se produžilo trajanje punjenja, tijela su stavljena u zatvorene posude (staklene boce), a naelektrizirani materijal bila je voda sa ekserom. Eksperiment je optimiziran kada je boca s obje strane premazana provodljivim materijalom (listovi folije, na primjer). Kao rezultat toga, shvatili su da mogu bez vode.

Žablji krakovi kao izvor struje

Drugi način proizvodnje električne energije prvi je otkrio Luigi Galvani. Kao biolog, radio je u laboratoriji u kojoj su eksperimentisali sa strujom. Vidio je kako se mrtva žaba noga stegnula kada je bila uzbuđena varnicom iz mašine. Ali jednog dana isti efekat je postignut slučajno kada ga je naučnik dodirnuo čeličnim skalpelom.

Počeo je da traži razloge odakle dolazi električna struja. Izvori električne struje, prema njegovom konačnom zaključku, nalazili su se u tkivima žabe.

Drugi Italijan, Alessandro Volto, dokazao je nedosljednost "žablje" prirode generacije struje. Uočeno je da se najveća struja javlja kada se u otopinu sumporne kiseline dodaju bakar i cink. Ova kombinacija se naziva galvanski ili hemijski element.

Ali korištenje takvog sredstva za dobivanje EMF-a bilo bi preskupo. Stoga su naučnici radili na drugom, mehaničkom, metodu proizvodnje električne energije.

Kako radi običan generator?

Početkom devetnaestog veka, G.H. Oersted je otkrio da kada struja prođe kroz provodnik nastaje polje magnetskog porijekla. A malo kasnije, Faraday je otkrio da kada se linije sile ovog polja sijeku, emf se inducira u provodnik, što uzrokuje struju. EMF se mijenja u zavisnosti od brzine kretanja i samih provodnika, kao i od jačine polja. Prilikom prelaska sto miliona linija sile u sekundi, indukovana EMF je postala jednaka jednom Voltu. Jasno je da ručno provođenje u magnetskom polju nije u stanju proizvesti veliku električnu struju. Izvori električne struje ovog tipa pokazali su se mnogo efikasnijim kada se žica namotava na veliki namotaj ili proizvodi u obliku bubnja. Zavojnica je bila postavljena na osovinu između magneta i rotirajuće vode ili pare. Takav mehanički izvor struje svojstven je konvencionalnim generatorima.

Veliki Tesla

Briljantni srpski naučnik Nikola Tesla, posvetivši svoj život struji, napravio je mnoga otkrića koja i danas koristimo. Višefazni elektromotori, prijenos energije preko višefazne naizmjenične struje - ovo nije cijela lista izuma velikog naučnika.

Mnogi su uvjereni da je fenomen u Sibiru, nazvan Tunguski meteorit, zapravo izazvao Tesla. Ali možda jedan od najmisterioznijih izuma je transformator koji može primiti napon do petnaest miliona volti. Ono što je neobično je i njegova struktura i proračuni, koji prkose poznatim zakonima. Ali tih dana počeli su razvijati vakuumsku tehnologiju, u kojoj nije bilo nejasnoća. Stoga je naučnikov izum neko vrijeme bio zaboravljen.

Ali danas, sa pojavom teorijske fizike, ponovo je došlo do interesovanja za njegov rad. Eter je bio prepoznat kao gas, koji podleže svim zakonima gasne mehanike. Odatle je veliki Tesla crpio svoju energiju. Vrijedi napomenuti da je eterička teorija bila vrlo česta u prošlosti među mnogim naučnicima. Tek pojavom SRT-a - Ajnštajnove specijalne teorije relativnosti, u kojoj je opovrgao postojanje etra - ona je zaboravljena, iako je kasnije formulisana opšta teorija nije osporila kao takvu.

Ali za sada se zadržimo detaljnije na električnoj struji i uređajima koji su danas sveprisutni.

Razvoj tehničkih uređaja - strujni izvori

Takvi uređaji se koriste za pretvaranje različitih vrsta energije u električnu energiju. Unatoč činjenici da su fizičke i kemijske metode za proizvodnju električne energije otkrivene davno, one su postale rasprostranjene tek u drugoj polovini dvadesetog stoljeća, kada je radio elektronika počela naglo da se razvija. Originalnih pet galvanskih parova dopunjeno je sa još 25 tipova. A teoretski, može postojati nekoliko hiljada galvanskih parova, budući da se slobodna energija može realizovati na bilo kom oksidacionom i redukcionom agensu.

Fizički izvori struje

Fizički izvori struje počeli su se razvijati nešto kasnije. Moderna tehnologija postavljala je sve strože zahtjeve, a industrijski termo i termoionski generatori uspješno su se nosili sa sve većim zadacima. Izvori fizičke struje su uređaji u kojima se toplinska, elektromagnetna, mehanička i energija zračenja i nuklearnog raspada pretvaraju u električnu energiju. Pored navedenog, oni uključuju i električne mašine i MHD generatore, kao i one koji se koriste za pretvaranje sunčevog zračenja i atomskog raspada.

Kako bi se osiguralo da električna struja u vodiču ne nestane, potreban je vanjski izvor za održavanje razlike potencijala na krajevima vodiča. U tu svrhu postoje izvori energije koji imaju određenu potencijalnu razliku za stvaranje i održavanje. Emf izvora električne struje mjeri se radom pri prijenosu pozitivnog naboja kroz zatvoreni krug.

Otpor unutar izvora struje kvantitativno ga karakterizira, određujući količinu izgubljene energije pri prolasku kroz izvor.

Snaga i efikasnost jednaki su omjeru napona u vanjskom električnom kolu i emf.

Hemijski izvori struje

Hemijski izvor struje u EMF električnom kolu je uređaj u kojem se energija kemijskih reakcija pretvara u električnu energiju.

Zasnovan je na dvije elektrode: negativno nabijenom redukcionom agensu i pozitivno nabijenom oksidantu, koje su u kontaktu s elektrolitom. Između elektroda nastaje razlika potencijala, EMF.

Moderni uređaji često koriste:

• kao redukciono sredstvo - olovo, kadmijum, cink i drugi;
• oksidator - nikl hidroksid, olovni oksid, mangan i drugi;
• elektrolit - rastvori kiselina, lužina ili soli.

Suvi elementi od cinka i mangana se široko koriste. Uzima se posuda od cinka (koja ima negativnu elektrodu). Unutra se postavlja pozitivna elektroda sa mješavinom mangan-dioksida i ugljičnog ili grafitnog praha, što smanjuje otpor. Elektrolit je pasta od amonijaka, škroba i drugih komponenti.

Olovna baterija je najčešće sekundarni hemijski izvor struje u električnom kolu, koji ima veliku snagu, stabilan rad i nisku cijenu. Baterije ovog tipa koriste se u raznim oblastima. Često se preferiraju kod starter akumulatora, koji su posebno vrijedni u automobilima, gdje uglavnom imaju monopol.

Još jedna uobičajena baterija sastoji se od željeza (anoda), hidrata nikl oksida (katoda) i elektrolita - vodene otopine kalija ili natrijuma. Aktivni materijal je smješten u niklovane čelične cijevi.

Upotreba ove vrste je opala nakon Edisonovog požara 1914. godine. Međutim, ako uporedimo karakteristike prvog i drugog tipa baterija, ispada da rad željezo-nikl baterija može biti višestruko duži od olovno-kiselinskih.

DC i AC generatori

Generatori su uređaji koji imaju za cilj pretvaranje mehaničke energije u električnu energiju.

Najjednostavniji generator jednosmjerne struje može se zamisliti kao okvir od vodiča, koji se postavlja između magnetnih polova, a krajevi su spojeni na izolirane poluprstenove (kolektor). Da bi uređaj radio, potrebno je osigurati rotaciju okvira sa kolektorom. Tada će se u njemu inducirati električna struja, mijenjajući svoj smjer pod utjecajem magnetskih linija sile. Ući će u vanjsko kolo u jednom smjeru. Ispostavilo se da će kolektor ispraviti naizmjeničnu struju koju stvara okvir. Da bi se postigla konstantna struja, kolektor je napravljen od trideset šest ili više ploča, a provodnik se sastoji od mnogo okvira u obliku namota armature.

Razmotrimo koja je svrha izvora struje u električnom kolu. Hajde da saznamo koji drugi trenutni izvori postoje.

struja, jačina struje, izvor struje

Električno kolo se sastoji od izvora struje koji zajedno s drugim objektima stvara put za struju. A koncepti EMF, struje i napona otkrivaju elektromagnetne procese koji se dešavaju tokom ovog procesa.

Najjednostavniji električni krug sastoji se od izvora struje (baterija, galvanska ćelija, generator itd.), potrošača energije elektromotora itd.), kao i žica koje povezuju terminale izvora napona i potrošača.

Električno kolo ima unutrašnje (izvor električne energije) i eksterne (žice, prekidači i prekidači, mjerni instrumenti) dijelove.

Radit će i imati pozitivnu vrijednost samo ako je osiguran zatvoreni krug. Svaki prekid uzrokuje da struja prestane teći.

Električni krug se sastoji od izvora struje u obliku galvanskih ćelija, električnih baterija, elektromehaničkih i fotoćelija, itd.

Elektromotori koji pretvaraju energiju u mehaničku energiju, uređaji za rasvjetu i grijanje, instalacije za elektrolizu i tako dalje djeluju kao električni prijemnici.

Pomoćna oprema uključuje uređaje za uključivanje i isključivanje, mjerne instrumente i zaštitne mehanizme.

Sve komponente su podeljene na:

• aktivni (gdje se električni krug sastoji od izvora EMF struje, električnih motora, baterija itd.);
• pasivni (koji uključuje električne prijemnike i priključne žice).

Krug također može biti:

• linearni, gdje je otpor elementa uvijek karakteriziran ravnom linijom;
• nelinearni, gde otpor zavisi od napona ili struje.

Ovdje je najjednostavniji dijagram gdje su izvor struje, ključ, električna lampa i reostat uključeni u krug.

Unatoč raširenoj upotrebi ovakvih tehničkih uređaja, posebno u posljednje vrijeme, ljudi se sve više postavljaju pitanja o instaliranju alternativnih izvora energije.

Raznolikost izvora električne energije

Koji drugi izvori električne struje postoje? Nisu samo sunce, vjetar, zemlja i plima. Oni su već postali takozvani zvanični alternativni izvori električne energije.

Mora se reći da postoji mnogo alternativnih izvora. Nisu uobičajene jer još nisu praktične i zgodne. Ali, ko zna, možda će budućnost biti samo njihova.

Dakle, moguće je dobiti električnu energiju iz slane vode. Elektrana koja koristi ovu tehnologiju već je napravljena u Norveškoj.

Električne elektrane mogu raditi i na gorivim ćelijama sa čvrstim oksidnim elektrolitom.

Poznati su piezoelektrični generatori koji energiju primaju zahvaljujući kinetičkoj energiji (pješačke staze, neravnine, okretnice, pa čak i plesni podiji već postoje s ovom tehnologijom).

Postoje i nanogeneratori koji imaju za cilj pretvaranje energije u samom ljudskom tijelu u električnu energiju.

Šta možete reći o algama koje se koriste za grijanje kuća, fudbalskim mačevima koji generiraju električnu energiju, biciklima koji mogu puniti gadgete, pa čak i sitno isjeckanom papiru koji se koristi kao izvor struje?

Ogromni izgledi, naravno, leže u razvoju vulkanske energije.

Sve je to današnja realnost na kojoj naučnici rade. Sasvim je moguće da će neke od njih vrlo brzo postati sasvim uobičajena pojava, poput struje u domovima danas.

Ili će možda neko otkriti tajne naučnika Nikole Tesle, pa će čovečanstvo moći lako da dobije električnu energiju iz etra?

Ovaj članak će opisati metode za proizvodnju električne struje, njihove vrste, prednosti i nedostatke. Uopšteno govoreći, izvori struje se mogu podijeliti na mehaničke, hemijske i one koji koriste druge fizičke transformacije.

Hemijski izvori struje

Hemijski izvori struje pretvaraju kemijske reakcije oksidatora i reduktora u emf. Prvi hemijski izvor struje izumio je Alessandro Volta 1800. godine. Kasnije je njegov izum nazvan "Volta element". Naponski elementi povezani u vertikalnu bateriju čine naponski stup.

Godine 1859. francuski fizičar Gston Plante izumio je olovno-kiselinsku bateriju. Sastojao se od olovnih ploča postavljenih u sumpornu kiselinu. Ova vrsta baterija se još uvijek široko koristi, na primjer u automobilima.

Francuski hemičar J. Leclanche je 1965. godine predložio element koji se sastoji od cinkove čaše sa rastvorom amonijum hlorida, u koju je stavljen aglomerat mangan oksida sa ugljeničnim provodnikom. Ovaj element postao je rodonačelnik modernih solnih baterija.

Svi hemijski elementi su bazirani na 2 elektrode. Jedan od njih je oksidant, a drugi redukcioni agens, oba su u kontaktu sa elektrolitom. EMF se javlja između elektroda. Na anodi se redukciono sredstvo oksidira; elektroni prolaze kroz vanjski krug do katode i sudjeluju u reakciji redukcije oksidacijskog sredstva. Dakle, tok elektrona prolazi kroz vanjski krug od negativnog pola do pozitivnog. Olovo se koristi kao redukciono sredstvo. kadmij, cink i drugi metali. Oksidirajuća sredstva - olovo oksid, mangan oksid, nikl hidroksid i dr. Kao elektrolit koriste se otopine alkalija, kiselina i soli.

Postoje i gorive ćelije u koje se oksidaciono sredstvo i redukciono sredstvo dovode spolja. Primjer je vodoničko-kiseonička gorivna ćelija, koja radi na istom principu kao i elektrolizator, samo obrnuto - vodik i kisik se dovode do ploča, a električna energija nastaje reakcijom njihove kombinacije u vodu.

Mehanički izvori struje

Mehanički izvori struje uključuju sve izvore koji pretvaraju mehaničku energiju u električnu energiju. Obično se ne koriste direktne transformacije, već putem druge energije, obično magnetske. Na primjer, magnetsko polje rotira u generatorima - stvoreno magnetima, ili na drugi način pobuđeno, djelujući na namotaje stvara EMF.

E.H. Lenz je još 1833. otkrio da električni motori sa trajnim magnetima mogu proizvesti električnu energiju ako se rotor okreće. U sklopu komisije za ispitivanje Jacobijevog elektromotora, eksperimentalno je dokazao reverzibilnost elektromotora. Kasnije je otkriveno da se energija koju generiše generator može koristiti za napajanje vlastitih elektromagneta.

Prvi generator su 1832. godine izgradili pronalazači iz Pariza, braća Pixin. Generator je koristio trajni magnet, čija je rotacija stvarala EMF u obližnjim namotajima. Emil Stehrer je 1843. godine napravio i generator koji se sastojao od 3 magneta i 6 zavojnica. Svi rani generatori koristili su trajne magnete. Kasnije (1851-1867) su korišteni elektromagneti, napajani ugrađenim generatorom permanentnih magneta. Takvu mašinu je stvorio Henry Wilde 1863. godine.

Nekorištena, ali još uvijek postojeća metoda koja koristi piezokeramiku također se može klasificirati kao mehanička. Piezo emiter je također reverzibilan i može stvarati energiju pod mehaničkim utjecajem.

Ostali izvori energije

Najčešći nemehanički izvor energije danas je solarna baterija. Solarna baterija direktno pretvara svjetlost u električnu energiju tako što izbacuje elektrone u pn spoju energijom fotona. Najčešće korištene solarne ćelije su na bazi silikona. Proizvode se dopiranjem istog poluvodiča raznim nečistoćama za stvaranje np spojeva.

Takođe, u terenskim uslovima često se koriste Peltierovi elementi. Peltierov element stvara temperaturnu razliku kada teče električna struja. Suprotan efekat, Seebeckov efekat, koristi se za proizvodnju električne struje kada se temperaturna razlika primjenjuje na element. Zbog upotrebe različitih vodiča, temperatura svakog od njih je različita, što dovodi do protoka elektrona iz toplijeg vodiča u manje zagrijani.

Aktuelni izvori, uređaji koji pretvaraju različite vrste energije u električnu energiju. Na osnovu vrste pretvorene energije, izvori energije se mogu podijeliti na kemijske i fizičke. Podaci o prvim hemijskim baterijama (galvanske ćelije i baterije) datiraju iz 19. veka. (na primjer, Volta baterija, Leclanche ćelija). Međutim, sve do 40-ih godina. 20ti vijek U svijetu nije razvijeno i implementirano u dizajn više od 5 tipova galvanskih parova. Od sredine 40-ih. Kao rezultat razvoja radio elektronike i široke upotrebe autonomnih električnih generatora, stvoreno je još oko 25 tipova galvanskih parova. Teoretski, slobodna energija hemijskih reakcija gotovo svakog oksidacionog agensa i redukcionog agensa može se realizovati u električnoj energiji, te je stoga moguća implementacija nekoliko hiljada galvanskih parova. Principi rada većine fizičkih elektronskih tehnologija bili su poznati već u 19. veku. Nakon toga, zbog brzog razvoja i poboljšanja, turbogeneratori i hidrogeneratori su postali glavni industrijski izvori električne energije. Fizičke tehnologije zasnovane na drugim principima dobile su industrijski razvoj tek 50-ih i 60-ih godina. 20. vijeka, što je posljedica povećanih i prilično specifičnih zahtjeva moderne tehnologije. U 60-im godinama tehnički razvijene zemlje već su imale industrijske uzorke termogeneratora, termoionskih generatora (SSSR, Njemačka, SAD), nuklearnih baterija

Hemijski izvori struje Uobičajeno je nazivati ​​uređaje koji generiraju električnu struju koristeći energiju redoks reakcija kemijskih reagensa. U skladu sa radnom shemom i mogućnošću snabdijevanja električnom energijom energijom, kemijski generatori se dijele na primarne, sekundarne i rezervne, kao i na elektrohemijske generatore.

Fizički izvori struje su uređaji koji pretvaraju toplinsku, mehaničku, elektromagnetnu energiju, kao i energiju zračenja i nuklearnog raspada u električnu energiju. U skladu sa najčešće korišćenom klasifikacijom, fizički generatori uključuju: generatore električnih mašina, termoelektrične generatore, termoelektrične pretvarače, MHD generatore, kao i generatore koji pretvaraju energiju sunčevog zračenja i atomskog raspada.

Za održavanje električne struje u vodiču potreban je neki vanjski izvor energije koji bi uvijek održavao potencijalnu razliku na krajevima ovog vodiča.
Takvi izvori energije su takozvani izvori električne struje, koji imaju određenu elektromotornu silu koja stvara i održava potencijalnu razliku na krajevima vodiča dugo vremena.

Numerički, elektromotorna sila se mjeri radom izvora električne energije prilikom prijenosa jednog pozitivnog naboja kroz zatvoreni krug.

Ako izvor energije, obavljajući rad A, osigurava prijenos naboja q kroz zatvoreni krug, tada će njegova elektromotorna sila (E) biti jednaka

Unutrašnji otpor izvora struje- kvantitativna karakteristika izvora struje, koja određuje količinu gubitaka energije pri prolasku kroz izvor električne struje.
Unutrašnji otpor ima dimenziju otpora i mjeri se u omima.
Kada električna struja prolazi kroz izvor, dešavaju se isti procesi rasipanja energije kao i pri prolasku kroz otpor opterećenja. Zahvaljujući ovim procesima, napon na stezaljkama izvora struje nije jednak elektromotornoj sili, već zavisi od veličine struje, a samim tim i od opterećenja. Pri malim vrijednostima struje ova zavisnost je linearna i može se prikazati u obliku

8) Snaga i efikasnost izvor je jednak omjeru napona u vanjskom kolu prema veličini emf. Električna energija- fizička veličina koja karakteriše brzinu prenosa ili konverzije električne energije. Neto snaga varira ovisno o vanjskom otporu na složeniji način. Zaista, Puseful = 0 pri ekstremnim vrijednostima vanjskog otpora: pri R = 0 i R®¥. Dakle, maksimalna korisna snaga bi se trebala pojaviti na srednjim vrijednostima vanjskog otpora.

9) Hemijski izvor struje (skr. HIT) je izvor EMF u kojem se energija hemijskih reakcija koje se u njemu odvijaju direktno pretvara u električnu energiju.

Princip rada: Hemijski izvori struje baziraju se na dvije elektrode (negativno nabijena anoda koja sadrži redukcijski agens i pozitivno nabijena katoda koja sadrži oksidacijsko sredstvo) u kontaktu s elektrolitom. Između elektroda se uspostavlja razlika potencijala - elektromotorna sila koja odgovara slobodnoj energiji redoks reakcije. Djelovanje kemijskih izvora struje temelji se na nastanku prostorno razdvojenih procesa u zatvorenom vanjskom kolu: na negativnoj anodi se redukciono sredstvo oksidira, a nastali slobodni elektroni prolaze kroz vanjski krug do pozitivne katode, stvarajući struju pražnjenja. , gdje sudjeluju u reakciji redukcije oksidacijskog sredstva. Dakle, tok negativno nabijenih elektrona kroz vanjski krug ide od anode do katode, odnosno od negativne elektrode (negativnog pola izvora kemijske struje) do pozitivne. To odgovara protoku električne struje u smjeru od pozitivnog pola prema negativnom, budući da se smjer struje poklapa sa smjerom kretanja pozitivnih naboja u vodiču.

Savremeni hemijski izvori struje koriste:

· kao redukciono sredstvo (anodni materijal) - olovo Pb, kadmijum Cd, cink Zn i drugi metali;

· kao oksidant (materijal katode) - olovo(IV) oksid PbO 2, nikl hidroksid NiOOH, mangan(IV) oksid MnO 2 i dr.;

· kao elektrolit - rastvori alkalija, kiselina ili soli.

2) Mangan-cink (MC) suvi elementi sa depolarizatorom mangan dioksida postali su široko rasprostranjeni.
Suha ćelija u obliku čašice (slika 3) ima pravokutnu ili cilindričnu posudu od cinka, koja je negativna elektroda. Unutar njega je postavljena pozitivna elektroda u obliku ugljika.
štapići ili ploče, koje se nalaze u vrećici napunjenoj mješavinom mangan-dioksida s ugljenom ili grafitnim prahom. Ugljik ili grafit se dodaje kako bi se smanjila otpornost. Ugljenična šipka i vrećica s depolarizirajućom masom nazivaju se aglomerat. Kao elektrolit koristi se pasta koja se sastoji od amonijaka (NH4Cl), škroba i nekih drugih supstanci. Za elemente čaše, središnji terminal je pozitivni pol.

Olovne baterije su najčešće među sekundarnim hemijskim izvorima energije, poseduju relativno veliku snagu u kombinaciji sa pouzdanošću i relativno niskom cenom. Ove baterije nalaze razne praktične primjene. Svoju popularnost i širok opseg proizvodnje duguju starter akumulatorima namijenjenim za razna vozila i prije svega automobile. U ovoj oblasti njihov monopolski položaj je stabilan i dugo traje. Velika većina stacionarnih i značajan dio akumulatora za kočije opremljeni su olovnim baterijama. Olovne baterije se uspješno nadmeću s alkalnim vučnim baterijama.

Lezo-nikl baterija je sekundarni izvor hemijske struje u kojem je gvožđe anoda, elektrolit je vodeni rastvor natrijum ili kalijum hidroksida (sa aditivima litijum hidroksida), a katoda je nikl(III) oksid hidrat.

Aktivni materijal se nalazi u niklovanim čeličnim cijevima ili perforiranim džepovima. Po cijeni i specifičnoj potrošnji energije bliski su litijum-jonskim baterijama, a po samopražnjenju, efikasnosti i naponu - NiMH baterijama. To su prilično izdržljive baterije, otporne na grubo rukovanje (prepunjenje, duboko pražnjenje, kratki spoj i termički udar) i imaju vrlo dug vijek trajanja.

Njihova upotreba opada otkako je Edisonov požar u fabrici/laboratoriji zaustavio proizvodnju 1914. godine, zbog loših performansi baterija na niskim temperaturama, lošeg zadržavanja punjenja i visokih troškova proizvodnje uporedivih s najboljim zatvorenim olovno-kiselinskim baterijama i do 1/2 cijene NiMH baterija. Međutim, zbog rasta cijene olova posljednjih godina, zbog čega je cijena olovnih baterija značajno porasla, cijene su se gotovo izjednačile.

Upoređujući baterije s olovnim baterijama, treba imati na umu da je dopušteno radno pražnjenje olovne baterije nekoliko puta manje od teoretskog punog kapaciteta, a da je željezo-nikl baterija vrlo blizu. Stoga, stvarni radni kapacitet gvožđe-nikl baterije, sa jednakim teoretskim punim kapacitetom, može biti nekoliko puta (u zavisnosti od režima) veći od kapaciteta olovno-kiselinske baterije.

10) Električni generatori jednosmerne i naizmenične struje.

Mašine koje pretvaraju mehaničku energiju u električnu se nazivaju generatori.
Najjednostavniji generator jednosmerne struje (slika 1) je okvir od provodnika postavljen između polova magneta, čiji su krajevi spojeni na izolovane poluprstenove zvane kolektorske ploče. Pozitivne i negativne četke su pritisnute na poluprstenove (kolektor), koji su zatvoreni vanjskim krugom kroz sijalicu. Da bi generator radio, okvir provodnika sa kolektorom mora biti rotiran. U skladu s pravilom desne strane, kada se okvir provodnika sa kolektorom okreće, u njemu će se inducirati električna struja, mijenjajući svoj smjer svakih pola okreta, jer će se magnetske linije sile na svakoj strani okvira sijeći u jednom ili drugom smjeru. U isto vrijeme, svaka polovina zaokreta mijenja se kontakt krajeva vodiča okvira i poluprstenova komutatora sa četkicama generatora. Struja će teći u vanjsko kolo u jednom smjeru, mijenjajući se samo u vrijednosti od 0 do maksimuma. Dakle, kolektor u generatoru služi za ispravljanje naizmjenične struje koju stvara okvir. Da bi električna struja bila konstantna ne samo po smjeru, već i po veličini (približno konstantne veličine), kolektor je napravljen od više (36 ili više) ploča, a provodnik se sastoji od više okvira ili sekcija izrađenih u oblik namotaja armature.

Rice. 1. Šema najjednostavnijeg generatora jednosmjerne struje: 1 - poluprsten ili kolektorska ploča; I - okvir provodnika; 3 - četka generatora

Osnovna struktura najjednostavnijeg generatora naizmjenične struje prikazana je na sl. 4. U ovom generatoru, krajevi okvira provodnika su povezani svaki sa svojim prstenom, a četke generatora su pritisnute na prstenove. Četke su zatvorene vanjskim strujnim krugom kroz sijalicu. Kada se okvir s prstenovima rotira u magnetskom polju, generator će proizvoditi naizmjeničnu struju koja se mijenja u veličini i smjeru svakih pola okreta. Ova naizmjenična struja se naziva jednofazna. U tehnologiji, generatori od tri-