Što se događa u izvoru električne struje. Električna struja, izvori električne struje: definicija i suština. Iz povijesti izuma

Predgovor.

Što je električna struja i što je potrebno za njen nastanak i postojanje onoliko vremena koliko nam je potrebno?

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

Struja.

Izvori električne struje.

Sve do 1650. godine, kada se u Europi pojavio veliki interes za električnu energiju, nije postojao način za lako dobivanje velikih električnih naboja. Uz sve veći broj znanstvenika zainteresiranih za električna istraživanja, moglo bi se očekivati ​​stvaranje sve jednostavnijih i učinkovitijih načina generiranja električnih naboja.

Otto von Guericke izumio je prvi električni stroj. Ulio je rastaljeni sumpor u šuplju staklenu kuglu, a onda, kada se sumpor stvrdnuo, razbio je staklo, ne sluteći da sama staklena kugla može jednako dobro poslužiti njegovim ciljevima. Guericke je tada ojačao sumpornu kuglu kako je prikazano na slici 1 tako da se mogla okretati pomoću drške. Za dobivanje naboja bilo je potrebno jednom rukom rotirati kuglicu, a drugom pritisnuti komad kože na nju. Trenje je podiglo potencijal lopte na vrijednost dovoljnu za stvaranje iskri dugih nekoliko centimetara.

Ovaj stroj je bio bolan

velika pomoć u eksperimentalnom

nom proučavanju elektriciteta, ali

još teže poslove „čuvanja

opskrba" i "rezerva" električne energije

riješene su ičke optužbe

samo zahvaljujući onome što slijedi

napredak fizike. Činjenica je da moćni naboji koji

mogu se stvoriti na tijelima pomoću elektrostatike

Guerickeovi su automobili brzo nestali. Isprva se mislilo da je razlog tome "isparavanje" naboja. Spriječiti

Za "isparavanje" naboja predloženo je da se nabijena tijela zatvore u zatvorene posude od izolacijskog materijala. Naravno, kao takve posude odabrane su staklene boce, a kao elektrizirani materijal odabrana je voda, jer se lako toči u boce. Da bi se voda mogla napuniti bez otvaranja boce, kroz čep je provučen čavao. Ideja je bila dobra, ali iz tada nepoznatih razloga uređaj nije tako dobro funkcionirao. 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 vodljivim 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 nizozemskom gradu Leidenu i nazvano je Leyden jar (slika 2).

Prvi koji je otkrio drugačiju mogućnost dobivanja električne energije od elektrifikacije trenjem bio je talijanski znanstvenik Luigi Galvani (1737-1798). Bio je biolog po struci, ali je radio u laboratoriju gdje su se izvodili pokusi s strujom. Galvani je otkrio fenomen koji je bio poznat mnogima prije njega; sastojao se u tome da ako se nožni živac mrtve žabe pobudi iskrom iz električnog stroja, tada se cijeli krak počinje stezati. Ali jednog dana Galvani je primijetio da se šapa počela pomicati kada je samo čelični skalpel došao u dodir sa živcem šape. Najviše je iznenadilo to što nije bilo kontakta između električnog stroja i skalpela. Ovo nevjerojatno otkriće natjeralo je Galvanija da provede niz eksperimenata kako bi otkrio uzrok električne struje. Jedan od pokusa proveo je Galvani kako bi otkrio jesu li isti pokreti u šapi uzrokovani elektricitetom munje. Da bi to učinio, Galvani je objesio nekoliko žabljih krakova na mjedene kuke u prozor prekriven željeznim rešetkama. I otkrio je, suprotno svojim očekivanjima, da se kontrakcije šapa javljaju u bilo koje vrijeme, bez obzira na vremenske uvjete. Prisutnost električnog stroja ili drugog izvora električne energije u blizini pokazala se nepotrebnom. Galvani je nadalje utvrdio da se umjesto željeza i mjedi mogu koristiti bilo koja dva različita metala, a kombinacija bakra i cinka uzrokovala je fenomen u najizrazitijem obliku. Staklo, guma, smola, kamen i suho drvo nisu imali nikakvog učinka. Stoga je podrijetlo struje i dalje ostalo misterij. Gdje se pojavljuje struja - samo u tkivima tijela žabe, samo u različitim metalima ili u kombinaciji metala i tkiva? Nažalost, Galvani je došao do zaključka da struja nastaje isključivo u tkivima tijela žabe. Kao rezultat toga, njegovim se suvremenicima koncept "životinjskog elektriciteta" počeo činiti mnogo stvarnijim od elektriciteta bilo kojeg drugog podrijetla.

Još jedan talijanski znanstvenik Alessandro Volta (1745-1827) konačno je dokazao da ako žablje krakove stavite u vodene otopine određenih tvari, tada u tkivima žabe ne nastaje galvanska struja. Posebno je to bio slučaj s izvorskom ili općenito čistom vodom; ovo strujanje se pojavljuje kada se u vodu dodaju kiseline, soli ili lužine. Očigledno je najveća struja nastala u kombinaciji bakra i cinka u razrijeđenoj otopini sumporne kiseline. Kombinacija dviju ploča od različitih metala uronjenih u vodenu otopinu lužine, kiseline ili soli naziva se galvanski (ili kemijski) članak.

Kad bi samo trenje i kemijski procesi u galvanskim ćelijama bili načini za dobivanje elektromotorne sile, tada bi trošak električne energije potrebne za rad raznih strojeva bio izuzetno visok. Kao rezultat velikog broja eksperimenata, znanstvenici iz različitih zemalja došli su do otkrića koja su omogućila stvaranje mehaničkih električnih strojeva koji generiraju relativno jeftinu električnu energiju.

Početkom 19. stoljeća Hans Christian Oersted otkrio je potpuno novi električni fenomen, koji se sastojao u činjenici da kada struja prolazi kroz vodič, oko njega se stvara magnetsko polje. Nekoliko godina kasnije, 1831., Faraday je došao do još jednog otkrića, jednakog po značaju Oerstedovu otkriću. Faraday je otkrio da kada vodič koji se pomiče prelazi preko linija magnetskog polja, u vodiču se inducira elektromotorna sila koja uzrokuje struju u krugu u kojem je vodič uključen. Inducirani EMF mijenja se izravno proporcionalno brzini kretanja, broju vodiča i jakosti magnetskog polja. Drugim riječima, inducirana emf izravno je proporcionalna broju linija sile koje vodič prelazi u jedinici vremena. Kada vodič prijeđe 100 000 000 linija sile u 1 sekundi, inducirana emf je jednaka 1 Voltu. Ručnim pomicanjem jednog vodiča ili svitka žice u magnetskom polju ne mogu se dobiti velike struje. Učinkovitiji način je namotati žicu na veliki kalem ili napraviti kalem u bubanj. Zavojnica se tada montira na osovinu koja se nalazi između polova magneta i okreće se silom vode ili pare. Tako, u biti, radi generator električne struje, koji spada u mehaničke izvore električne struje i aktivno ga koristi čovječanstvo u današnje vrijeme.
Ljudi koriste sunčevu energiju od davnina. Davne 212. pr. e. Uz pomoć koncentriranih sunčevih zraka palili su svetu vatru u blizini hramova. Prema legendi, otprilike u isto vrijeme, grčki znanstvenik Arhimed, braneći svoj rodni grad, zapalio je jedra brodova rimske flote.

Sunce je termonuklearni reaktor koji se nalazi 149,6 milijuna km od Zemlje i emitira energiju koja do Zemlje uglavnom dolazi u obliku elektromagnetskog zračenja. Najveći dio energije sunčevog zračenja koncentriran je u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra. Sunčevo zračenje neiscrpan je obnovljiv izvor ekološki prihvatljive energije. Bez štete za ekološki okoliš može se iskoristiti 1,5% sve sunčeve energije koja padne na zemlju, tj. 1,62 *10 16 kilovat sati godišnje, što je ekvivalent ogromnoj količini standardnog goriva - 2 *10 12 tona.

Napori dizajnera idu putem korištenja fotoćelija za izravnu pretvorbu sunčeve energije u električnu. Fotopretvarači, koji se nazivaju i solarni paneli, sastoje se od niza fotoćelija spojenih u seriju ili paralelno. Ako pretvarač mora puniti bateriju koja napaja npr. radio uređaj u oblačnim vremenima, tada se spaja paralelno na priključke solarne baterije (slika 3). Elementi koji se koriste u solarnim baterijama moraju imati visoku učinkovitost, povoljne spektralne karakteristike, nisku cijenu, jednostavan dizajn i malu težinu. Nažalost, samo nekoliko danas poznatih fotoćelija barem djelomično zadovoljava ove zahtjeve. To su prvenstveno neke vrste poluvodičkih fotoćelija. Najjednostavniji od njih je selen. Nažalost, učinkovitost najboljih selenskih fotoćelija je niska (0,1...1%).

Osnova solarnih baterija su silikonski fotopretvarači, koji imaju oblik okruglih ili pravokutnih ploča debljine 0,7 - 1 mm i površine do 5 - 8 cm2. Iskustvo je pokazalo da mali elementi s površinom od oko 1 četvornog metra daju dobre rezultate. vidjeti, s učinkovitošću od oko 10%. Stvorene su i fotoćelije od poluvodičkih metala s teoretskom učinkovitošću od 18%. Inače, praktična učinkovitost fotoelektričnih pretvarača (oko 10%) premašuje učinkovitost parne lokomotive (8%), učinkovitost sunčeve energije u biljnom svijetu (1%), kao i učinkovitost mnogih hidrauličkih i uređaji za vjetar. Fotonaponski pretvarači imaju gotovo neograničeni vijek trajanja. Za usporedbu, možemo dati vrijednosti učinkovitosti različitih izvora električne energije (u postocima): kombinirana toplinska i elektrana - 20-30, termoelektrični pretvarač - 6 - 8, selenska fotoćelija - 0,1 - 1, solarna baterija - 6 - 11, gorive ćelije - 70, olovne baterije - 80 - 90.

Godine 1989. Boeing (SAD) stvorio je dvoslojnu fotoćeliju koja se sastoji od dva poluvodiča - galij arsenida i galij antimonida - s faktorom pretvorbe sunčeve energije u električnu energiju od 37%, što je sasvim usporedivo s učinkovitošću modernih toplinskih i nuklearne elektrane. Nedavno je dokazano da fotonaponska metoda pretvorbe sunčeve energije teoretski omogućuje korištenje sunčeve energije s učinkovitošću do 93%! Ali u početku se vjerovalo da maksimalna gornja granica učinkovitosti solarnih ćelija nije veća od 26%, tj. znatno manji od učinkovitosti visokotemperaturnih toplinskih strojeva.

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

i elektronička oprema male snage, pogoni za eksperimentalna električna vozila i zrakoplove. Kako se solarni paneli budu usavršavali, naći će primjenu u stambenim zgradama za autonomno napajanje, tj. grijanje i opskrbu toplom vodom, kao i za proizvodnju električne energije za rasvjetu i napajanje kućanskih električnih uređaja.

Izvori električne struje Izvršio: Anton Rubtsov, učenik 8. B razreda Gradske obrazovne ustanove Srednja škola br. 105 Znanstveni voditelj: E. A. Maslova, učiteljica fizike

Odabirom teme želio sam proučiti povijest stvaranja izvora električne struje, a također i napraviti neke izvore vlastitim rukama, ponavljajući eksperimente poznatih znanstvenika. Relevantnost Čovječanstvo ne može bez električne energije, a možda će netko uspjeti otkriti nove izvore električne struje koji su ekonomičniji i jeftiniji. Svrha rada je proučiti glavne vrste izvora električne struje, princip njihovog rada i izradu 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. U svakom izvoru struje radi se na odvajanju pozitivno i negativno nabijenih čestica koje se nakupljaju na polovima izvora. Električna struja je usmjereno (uređeno) gibanje nabijenih čestica (elektrona, iona i dr.) Za smjer struje uzima se smjer gibanja pozitivno nabijenih čestica. Ako struju stvaraju negativno nabijene čestice (npr. elektroni), tada se smjer struje smatra suprotnim od smjera gibanja čestica.

Povijest stvaranja prvih izvora struje

Svojstva jantara Tales iz Mileta prvi je obratio pažnju na električni naboj. Otkrio je da jantar, natrljan vunom, poprima svojstva privlačenja malih predmeta. Fosilizirana smola drevnog drveća koje je raslo na našem planetu prije 38-120 milijuna godina.

Električni stroj Otto von Guericke Otto von Guericke izumio je prvi električni stroj. Ulio je rastaljeni sumpor u šuplju staklenu kuglu, a zatim, kada se sumpor stvrdnuo, razbio je staklo. Guericke je zatim ojačao sumpornu kuglu kako bi se mogla okretati pomoću drške. Za dobivanje naboja bilo je potrebno jednom rukom rotirati kuglicu, a drugom pritisnuti komad kože na nju. Trenje je podiglo napetost kuglice na vrijednost dovoljnu da proizvede iskre duge nekoliko centimetara.

Leyden Jar Leyden jar je staklena boca omotana folijom s obje strane. Unutar staklenke nalazi se metalna šipka. Staklenka spojena pločama na električni stroj mogla bi akumulirati značajnu količinu elektriciteta. Kada bi se njegove ploče spojile komadom debele žice, tada bi na mjestu kratkog spoja skočila jaka iskra, a nakupljeni električni naboj bi trenutno nestao. To je omogućilo dobivanje kratkotrajne električne struje. Zatim je staklenku trebalo ponovno napuniti. Danas takve uređaje nazivamo električnim kondenzatorima.

Galvanijev element Luigi Galvani (1737.-1798.) jedan je od utemeljitelja učenja o elektricitetu, a njegovi pokusi sa “životinjskim” elektricitetom postavili su temelje novom znanstvenom pravcu - elektrofiziologiji. Kao rezultat pokusa sa žabama, Galvani je sugerirao postojanje elektriciteta u živim organizmima. Po njemu je nazvan galvanski članak, baterija.

Voltin stup Alesandro Volta (1745. - 1827.) - talijanski fizičar, kemičar i fiziolog, izumitelj izvora istosmjerne električne struje. Njegov prvi izvor struje je "naponski stup". Volta je naizmjenično stavljao nekoliko desetaka malih cinčanih i srebrnih krugova jedan na drugi, stavljajući između njih papir navlažen slanom vodom.

Glavni tipovi izvora električne struje Mehanički Toplinski Svjetlo Kemijski Toplinski element Fotoćelija Elektroforski stroj Galvanska ćelija

Izvori životinjske struje

Električna energija unutar živih organizama Mnoge biljke doživljavaju struju oštećenja. Dijelovi listova i stabljika uvijek su 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 poprima intraalkalnu ili kiselu ravnotežu. Prvi uključuju agrume (limun) i krumpir. A za drugo, na primjer, kiseli krastavac i kiseli paradajz.

Atmosferski elektricitet Kada se zrak kreće, različita zračna strujanja postaju elektrificirana kao rezultat dodira. Jedan dio oblaka (gornji) je pozitivno naelektriziran, a drugi (donji) je negativno naelektriziran. U trenutku kada naboj oblaka postane velik, između njegova dva naelektrizirana dijela preskoči snažna električna iskra – munja.

Praktični dio

Kućne baterije Za izradu kućnih baterija trebat će nam instrumenti i materijali: Bakrena ploča Cink ploča Limun, krastavac, soda, voda, novčići Voltmetar Žice za spajanje

Galvanski članak od limuna Proizvodi električnu struju s naponom

Galvanski članak iz prvog kiselog krastavca Proizvodi električnu struju s naponom

Galvanska ćelija iz drugog i trećeg krastavca

Baterija od dva kisela krastavca proizvodi električnu struju s naponom

Baterija od tri kisela krastavca proizvodi električnu struju s naponom

Žaruljica spojena na lanac od tri kisela krastavca. Lanac je sastavljen. Žaruljica svijetli.

Soda baterija Proizvodi električnu struju s naponom

Soda baterija od dvije i tri ćelije

Žarulja spojena na krug od tri soda elementa. Strujni krug je sastavljen. Žarulja svijetli.

Slana baterija Proizvodi električnu struju s naponom

Zaključak Kako bih postigao cilj ovog rada, riješio sam sljedeće probleme: Razmotrio glavne vrste izvora električne struje. 1. Mehanički izvori struje 2. Toplinski izvori struje 3. Izvori svjetlosne struje 4. Kemijski izvori struje Proučavao princip rada izvora struje. Napravio sam neke izvore vlastitim rukama. 1. Galvanski članak od limuna. 2. Galvanski članak od kiselog krastavca. 3. Soda baterija. 4. Slana baterija.

Bibliografija Abramov S.S.. Velika enciklopedija Ćirila i Mitodija. 2009 Wikipedia - besplatna enciklopedija. www. ru. wikipedija. org. Julian Holland. Velika ilustrirana enciklopedija erudita. "Lastavin rep" 2001; Kartsev V.P. Avanture velikih jednadžbi. M.: Obrazovanje, 2007

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

Izvori električne struje mogu biti:

• statički;
• kemijski;
• mehanički;
• poluvodič.

U svakom od njih vrši se rad pri čemu se razdvajaju različito nabijene čestice, odnosno stvara se električno polje izvora struje. Nakon što su se odvojili, nakupljaju se na polovima, na mjestima spajanja vodiča. Kada su polovi spojeni vodičem, nabijene čestice se počinju kretati i stvara se električna struja.

Izvori električne struje: izum električnog stroja

Sve do sredine sedamnaestog stoljeća, stvaranje električne struje zahtijevalo je mnogo truda. Istodobno je rastao broj znanstvenika koji se bave ovom problematikom. I tako je Otto von Guericke izumio prvi električni stroj na svijetu. U jednom od pokusa sa sumporom on se, rastopljen unutar šuplje staklene kugle, stvrdnuo i razbio staklo. Guericke je ojačao loptu da se može rotirati. Okretanjem i pritiskom na komad kože dobio je iskru. znatno je olakšao dobivanje kratkotrajne električne energije. Ali teži problemi riješeni su tek daljnjim razvojem znanosti.

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

Žablji bataci kao izvor struje

Drugi način proizvodnje električne energije prvi je otkrio Luigi Galvani. Kao biolog radio je u laboratoriju u kojem su eksperimentirali s elektricitetom. Vidio je kako se mrtvi žablji batak skupio kad ga je pobudila iskra iz stroja. Ali jednog dana isti je učinak postignut slučajno kada ga je znanstvenik dotaknuo čeličnim skalpelom.

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

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

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

Kako radi obični generator?

Početkom devetnaestog stoljeća G.H. Oersted je otkrio da kada struja prolazi kroz vodič, nastaje polje magnetskog podrijetla. A malo kasnije, Faraday je otkrio da kada se sijeku linije sile ovog polja, u vodiču se inducira emf, što uzrokuje struju. EMF se mijenja ovisno o brzini kretanja i samih vodiča, kao i o jakosti polja. Pri prelasku od sto milijuna linija sile u sekundi, inducirani EMF je postao jednak jednom Voltu. Jasno je da ručno provođenje u magnetskom polju ne može proizvesti veliku električnu struju. Izvori električne struje ovog tipa pokazali su se mnogo učinkovitijima kod namotavanja žice na veliku zavojnicu ili izrade 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 znanstvenik Nikola Tesla, posvetivši svoj život elektricitetu, došao je do mnogih otkrića kojima se i danas služimo. Višefazni elektromotori, prijenos energije kroz višefaznu izmjeničnu struju - ovo nije cijeli popis izuma velikog znanstvenika.

Mnogi su uvjereni da je fenomen u Sibiru, nazvan Tunguski meteorit, zapravo izazvao Tesla. Ali možda je jedan od najtajanstvenijih izuma transformator koji može primiti napon do petnaest milijuna volti. Ono što je neobično je i njegova struktura i njegovi izračuni, koji prkose poznatim zakonima. Ali u to su vrijeme počeli razvijati vakuumsku tehnologiju, u kojoj nije bilo nejasnoća. Stoga je izum znanstvenika neko vrijeme zaboravljen.

Ali danas, s pojavom teorijske fizike, obnovljeno je zanimanje za njegov rad. Eter je prepoznat kao plin koji podliježe svim zakonima plinske mehanike. Odatle je veliki Tesla crpio svoju energiju. Vrijedno je napomenuti da je eterična teorija bila vrlo česta u prošlosti među mnogim znanstvenicima. Tek s pojavom SRT-a - Einsteinove posebne teorije relativnosti, u kojoj je opovrgao postojanje etera - ona je zaboravljena, iako je kasnije formulirana opća teorija kao takvu nije osporavala.

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

Razvoj tehničkih uređaja - izvori struje

Takvi uređaji služe za pretvaranje raznih vrsta energije u električnu energiju. Unatoč činjenici da su fizikalne i kemijske metode za proizvodnju električne energije otkrivene davno, postale su raširene tek u drugoj polovici dvadesetog stoljeća, kada se radioelektronika počela ubrzano razvijati. Prvotnih pet galvanskih parica nadopunjeno je s još 25 vrsta. A teoretski, može biti nekoliko tisuća galvanskih parova, budući da se slobodna energija može ostvariti na bilo kojem oksidacijskom i redukcijskom sredstvu.

Fizički izvori struje

Fizički izvori struje počeli su se razvijati nešto kasnije. Suvremena tehnologija postavljala je sve strože zahtjeve, a industrijski toplinski i termoenički generatori uspješno su se nosili sa sve većim zadacima. Fizikalni izvori struje su uređaji u kojima se toplinska, elektromagnetska, mehanička energija i energija zračenja i nuklearnog raspada pretvaraju u električnu energiju. Osim navedenih, tu su i električni strojevi i MHD generatori, kao i oni koji se koriste za pretvaranje sunčevog zračenja i raspada atoma.

Da električna struja u vodiču ne nestane, potreban je vanjski izvor koji održava razliku potencijala na krajevima vodiča. U tu svrhu postoje izvori energije koji imaju neku razliku potencijala za stvaranje i održavanje. EMF izvora električne struje mjeri se radom koji se izvrši prijenosom pozitivnog naboja kroz zatvoreni krug.

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

Snaga i učinkovitost jednaki su omjeru napona u vanjskom električnom krugu i emf.

Kemijski izvori struje

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

Temelji se na dvije elektrode: negativno nabijenom redukcijskom sredstvu i pozitivno nabijenom oksidirajućem sredstvu, koje su u kontaktu s elektrolitom. Između elektroda se javlja razlika potencijala, EMF.

Moderni uređaji često koriste:

• kao redukcijsko sredstvo - olovo, kadmij, cink i drugi;
• oksidans - nikal hidroksid, olovni oksid, mangan i drugi;
• elektrolit - otopine kiselina, lužina ili soli.

Suhi elementi od cinka i mangana naširoko se koriste. Uzima se posuda od cinka (s negativnom elektrodom). Unutra se postavlja pozitivna elektroda s mješavinom mangan dioksida i ugljika ili grafitnog praha, čime se smanjuje otpor. Elektrolit je pasta od amonijaka, škroba i drugih komponenti.

Olovni akumulator je najčešće sekundarni kemijski izvor struje u električnom krugu, koji ima veliku snagu, stabilan rad i nisku cijenu. Baterije ove vrste koriste se u raznim područjima. Često se preferiraju za starter baterije, koje su posebno vrijedne u automobilima, gdje općenito imaju monopol.

Druga uobičajena baterija sastoji se od željeza (anoda), nikal oksid hidrata (katoda) i elektrolita - vodene otopine kalija ili natrija. Aktivni materijal nalazi se u čeličnim cijevima obloženim niklom.

Upotreba ove vrste opala je nakon požara u tvornici Edison 1914. Međutim, ako usporedimo karakteristike prve i druge vrste baterija, ispada da rad željezno-nikalnih baterija može biti višestruko duži od olovnih.

DC i AC generatori

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

Najjednostavniji generator istosmjerne struje može se zamisliti kao okvir od vodiča, koji se nalazi između magnetskih polova, a krajevi su spojeni na izolirane poluprstenove (kolektor). Da bi uređaj radio, potrebno je osigurati rotaciju okvira s kolektorom. Tada će se u njemu inducirati električna struja koja mijenja svoj smjer pod utjecajem magnetskih silnica. Ići će u vanjski krug u jednom smjeru. Ispada da će kolektor ispraviti izmjeničnu struju koju stvara okvir. Da bi se postigla stalna struja, kolektor se izrađuje od trideset i šest ili više ploča, a vodič se sastoji od mnogo okvira u obliku armaturnog namota.

Razmotrimo koja je svrha izvora struje u električnom krugu. Otkrijmo koji drugi trenutni izvori postoje.

struja, jakost struje, izvor struje

Električni krug sastoji se od izvora struje koji, zajedno s drugim objektima, stvara put za struju. A pojmovi EMF, struje i napona otkrivaju elektromagnetske procese koji se odvijaju tijekom tog procesa.

Najjednostavniji električni krug sastoji se od izvora struje (baterija, galvanski članak, generator i dr.), potrošača energije elektromotora i dr.), kao i vodova koji spajaju stezaljke izvora napona i potrošača.

Električni krug ima unutarnje (izvor električne energije) i vanjske (žice, sklopke i prekidači, mjerni instrumenti) dijelove.

Radit će i imati pozitivnu vrijednost samo ako je osiguran zatvoreni krug. Svaki prekid uzrokuje prestanak strujanja.

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

Kao prijemnici električne energije djeluju elektromotori koji pretvaraju energiju u mehaničku, uređaji za rasvjetu i grijanje, elektrolizna postrojenja i dr.

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

Sve komponente su podijeljene na:

• aktivan (gdje se električni krug sastoji od izvora EMF struje, elektromotora, baterija i tako dalje);
• pasivni (koji uključuje električne prijemnike i priključne žice).

Krug također može biti:

• linearni, gdje je otpor elementa uvijek karakteriziran ravnom linijom;
• nelinearni, gdje otpor ovisi o naponu ili struji.

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

Unatoč širokoj širokoj upotrebi takvih tehničkih uređaja, osobito u posljednje vrijeme, ljudi sve više postavljaju pitanja o instaliranju alternativnih izvora energije.

Raznolikost izvora električne energije

Koji drugi izvori električne struje postoje? Nije samo sunce, vjetar, kopno i plima. Oni su već postali takozvani službeni alternativni izvori električne energije.

Mora se reći da postoji mnogo alternativnih izvora. Nisu uobičajeni jer još nisu praktični i prikladni. No, tko zna, možda budućnost bude baš 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 gorive ćelije s čvrstim oksidnim elektrolitom.

Poznati su piezoelektrični generatori koji dobivaju energiju zahvaljujući kinetičkoj energiji (pješačke staze, ležeći ležeći igrači, okretišta 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.

Što reći o algama koje se koriste za grijanje kuća, nogometnim mačevima koji stvaraju električnu energiju, biciklima koji mogu puniti gadgete, pa čak i sitno nasjeckanom papiru koji se koristi kao izvor struje?

Ogromne perspektive, naravno, leže u razvoju vulkanske energije.

Sve je to realnost današnjice na kojoj znanstvenici rade. Vrlo je moguće da će neke od njih vrlo brzo postati posve uobičajena pojava, poput struje u domovima danas.

Ili će možda netko otkriti tajne znanstvenika Nikole Tesle, pa će čovječanstvo moći lako dobivati ​​električnu energiju iz etera?

Ovaj članak će opisati metode za proizvodnju električne struje, njihove vrste, prednosti i nedostatke. Općenito, izvore struje možemo podijeliti na mehaničke, kemijske i one koji koriste druge fizičke transformacije.

Kemijski izvori struje

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

Godine 1859. francuski fizičar Gston Plante izumio je olovnu bateriju. Sastojao se od olovnih ploča postavljenih u sumpornu kiselinu. Ova vrsta akumulatora još uvijek se široko koristi, primjerice u automobilima.

Godine 1965. francuski kemičar J. Leclanche predložio je element koji se sastoji od cinkove čaše s otopinom amonijevog klorida u koju je stavljen aglomerat manganovog oksida s ugljičnim vodičem. Ovaj element postao je praotac modernih solnih baterija.

Svi kemijski elementi temelje se na 2 elektrode. Jedan od njih je oksidacijsko sredstvo, a drugi redukcijsko sredstvo, oba su u kontaktu s elektrolitom. Između elektroda nastaje EMF. Na anodi se redukcijsko sredstvo oksidira; elektroni prolaze kroz vanjski krug do katode i sudjeluju u reakciji redukcije oksidacijskog agensa. Dakle, tok elektrona prolazi kroz vanjski krug od negativnog pola do pozitivnog. Olovo se koristi kao redukcijsko sredstvo. kadmij, cink i drugi metali. Oksidirajuća sredstva - olovni oksid, manganov oksid, nikal hidroksid i drugi. Kao elektrolit koriste se otopine lužina, kiselina i soli.

Postoje i gorivne ćelije u kojima se oksidacijsko i redukcijsko sredstvo dovode izvana. Primjer je gorivna ćelija vodik-kisik, koja radi na istom principu kao i elektrolizer, samo obrnuto - vodik i kisik se dovode na ploče, a električna energija se stvara reakcijom njihovog spajanja u vodu.

Mehanički izvori struje

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

EH. Lenz je još 1833. otkrio da električni motori s permanentnim magnetima mogu generirati električnu energiju ako se rotor vrti. U sklopu komisije za ispitivanje Jacobijevog elektromotora eksperimentalno je dokazao reverzibilnost elektromotora. Kasnije je otkriveno da se energija koju stvara generator može koristiti za napajanje vlastitih elektromagneta.

Prvi generator sagradili su 1832. pariški izumitelji braća Pixin. Generator je koristio trajni magnet, čija je rotacija generirala EMF u obližnjim namotima. Godine 1843. Emil Stehrer je napravio i generator koji se sastojao od 3 magneta i 6 zavojnica. Svi prvi generatori koristili su trajne magnete. Kasnije (1851.-1867.) korišteni su elektromagneti koje je pokretao ugrađeni generator s permanentnim magnetom. Takav stroj stvorio je Henry Wilde 1863. godine.

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

Ostali izvori energije

Najčešće korišteni nemehanički izvor energije danas je solarna baterija. Solarna baterija izravno pretvara svjetlost u električnu energiju izbacivanjem elektrona u pn spoju energijom fotona. Najčešće korištene solarne ćelije su na bazi silicija. Proizvode se dopiranjem istog poluvodiča različitim nečistoćama kako bi se stvorili np spojevi.

Također, u terenskim uvjetima često se koriste Peltierovi elementi. Peltierov element stvara temperaturnu razliku kada teče električna struja. Suprotan učinak, Seebeckov učinak, koristi se za proizvodnju električne struje kada se temperaturna razlika primijeni na element. Zbog upotrebe različitih vodiča, temperatura svakog od njih je različita, što dovodi do protoka elektrona od toplijeg vodiča prema manje zagrijanom.

Trenutni izvori, uređaji koji razne vrste energije pretvaraju u električnu. Prema vrsti pretvorene energije, izvore energije možemo podijeliti na kemijske i fizikalne. Podaci o prvim kemijskim baterijama (galvanskim člancima i baterijama) sežu u 19. stoljeće. (na primjer, Volta baterija, Leclanche ćelija). Međutim, sve do 40-ih godina. 20. stoljeće U svijetu nije razvijeno i implementirano u dizajnu više od 5 vrsta galvanskih parova. Od sredine 40-ih. Kao rezultat razvoja radioelektronike i raširene uporabe autonomnih električnih generatora, stvoreno je još oko 25 vrsta galvanskih parova. Teoretski, slobodna energija kemijskih reakcija gotovo svakog oksidacijskog i redukcijskog sredstva može se realizirati u električnoj energiji, pa je stoga moguća implementacija nekoliko tisuća galvanskih parica. Principi rada većine fizičkih elektroničkih tehnologija bili su poznati već u 19. stoljeću. Nakon toga, zbog brzog razvoja i usavršavanja, turbogeneratori i hidrogeneratori postali su glavni industrijski izvori električne energije. Fizičke tehnologije temeljene na drugim načelima dobile su industrijski razvoj tek u 50-im i 60-im godinama. 20. stoljeća, što je posljedica povećanih i dosta specifičnih zahtjeva suvremene tehnologije. U 60-ima tehnički razvijene zemlje već su imale industrijske uzorke termogeneratora, termoelektričnih generatora (SSSR, Njemačka, SAD), nuklearnih baterija

Kemijski izvori struje Uobičajeno je nazivati ​​uređaje koji generiraju električnu struju koristeći energiju redoks reakcija kemijskih reagensa. Sukladno shemi rada i mogućnosti napajanja električne mreže kemijski generatori se dijele na primarne, sekundarne i pomoćne te elektrokemijske generatore.

Fizički izvori struje su uređaji koji pretvaraju toplinsku, mehaničku, elektromagnetsku energiju, kao i energiju zračenja i nuklearnog raspada u električnu energiju. Prema najčešće korištenoj klasifikaciji, fizikalni generatori uključuju: električne generatore strojeva, termoelektrične generatore, termionske 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 razliku potencijala na krajevima ovog vodiča.
Takvi izvori energije su takozvani izvori električne struje, koji imaju određenu elektromotornu silu koja stvara i dugo održava razliku potencijala na krajevima vodiča.

Numerički, elektromotorna sila se mjeri radom izvora električne energije pri prijenosu 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

Unutarnji otpor izvora struje- kvantitativna karakteristika izvora struje, koja određuje količinu gubitaka energije pri prolasku kroz izvor električne struje.
Unutarnji otpor ima dimenziju otpora i mjeri se u Ohmima.
Kada električna struja prolazi kroz izvor, događaju se isti procesi rasipanja energije kao kod prolaska kroz otpor opterećenja. Zahvaljujući tim procesima, napon na stezaljkama izvora struje nije jednak elektromotornoj sili, već ovisi o veličini struje, a time io opterećenju. Pri malim vrijednostima struje ova je ovisnost linearna i može se prikazati u obliku

8) Snaga i učinkovitost izvora jednaka je omjeru napona u vanjskom krugu prema veličini emf. Električna energija- fizička veličina koja karakterizira brzinu prijenosa ili pretvorbe električne energije. Neto snaga varira ovisno o vanjskom otporu na složeniji način. Doista, Puseful = 0 pri ekstremnim vrijednostima vanjskog otpora: pri R = 0 i R®¥. Dakle, maksimalna korisna snaga trebala bi se pojaviti na srednjim vrijednostima vanjskog otpora.

9) Kemijski izvor struje (skr. POGODITI) je izvor EMF-a u kojem se energija kemijskih reakcija koje se u njemu odvijaju izravno pretvara u električnu energiju.

Princip rada: Kemijski izvori struje temelje se na dvije elektrode (negativno nabijena anoda koja sadrži redukcijsko sredstvo 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 odvijanju prostorno odvojenih procesa u zatvorenom vanjskom krugu: na negativnoj anodi redukcijsko sredstvo se oksidira, 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 prema katodi, odnosno od negativne elektrode (negativnog pola kemijskog izvora struje) prema pozitivnom. To odgovara protoku električne struje u smjeru od pozitivnog pola prema negativnom, budući da se smjer struje podudara sa smjerom gibanja pozitivnih naboja u vodiču.

Moderni kemijski izvori struje koriste:

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

· kao oksidacijsko sredstvo (materijal katode) - olovov(IV) oksid PbO 2, nikal hidroksid NiOOH, mangan(IV) oksid MnO 2 i dr.;

· kao elektrolit - otopine lužina, kiselina ili soli.

2) Mangan-cink (MC) suhi elementi s depolarizatorom mangan dioksida postali su široko rasprostranjeni.
Suha ćelija šaličastog tipa (slika 3) ima pravokutnu ili cilindričnu posudu od cinka, koja je negativna elektroda. Unutar njega se nalazi pozitivna elektroda u obliku ugljika.
štapići ili ploče, koji se nalaze u vrećici napunjenoj mješavinom mangan dioksida s ugljenom ili grafitnim prahom. Ugljik ili grafit se dodaju kako bi se smanjio otpor. Ugljična šipka i vrećica s depolarizirajućom masom nazivaju se aglomerat. Kao elektrolit se koristi pasta koja se sastoji od amonijaka (NH4Cl), škroba i nekih drugih tvari. Za šalaste elemente, središnji terminal je pozitivni pol.

Olovni akumulatori najčešći su među sekundarnim kemijskim izvorima energije, posjeduju relativno veliku snagu u kombinaciji s pouzdanošću i relativno niskom cijenom. Ove baterije nalaze različite praktične primjene. Svoju popularnost i širok opseg proizvodnje duguju starter baterijama namijenjenim raznim vozilima, a prije svega automobilima. Na ovom području njihov je monopolski položaj stabilan i dugotrajan. Velika većina stacionarnih i značajan dio kočijskih baterija opremljeni su olovnim baterijama. Olovni akumulatori uspješno konkuriraju alkalnim pogonskim akumulatorima.

Lezo-nikl baterija je sekundarni kemijski izvor struje u kojem je željezo anoda, elektrolit je vodena otopina natrijevog ili kalijevog hidroksida (s dodacima litijevog hidroksida), a katoda je nikal(III) oksid hidrat.

Aktivni materijal nalazi se u poniklanim čeličnim cijevima ili perforiranim džepovima. Po cijeni i specifičnoj potrošnji energije bliski su litij-ionskim baterijama, a po samopražnjenju, učinkovitosti i naponu - NiMH baterijama. To su prilično izdržljive baterije, otporne na grubo rukovanje (prepuno punjenje, duboko pražnjenje, kratki spoj i termalni udar) i imaju vrlo dug vijek trajanja.

Njihova je uporaba u opadanju otkako je Edisonova tvornica/laboratorij zaustavila proizvodnju 1914. zbog lošeg učinka baterije na niskim temperaturama, slabog zadržavanja napunjenosti i visokih troškova proizvodnje usporedivih s najboljim zatvorenim olovnim baterijama i do 1/2 cijene NiMH baterija. Međutim, zbog poskupljenja olova posljednjih godina, zbog čega su cijene olovnih baterija značajno porasle, cijene su se gotovo izjednačile.

Uspoređujući baterije s olovnim baterijama, treba imati na umu da je dopušteno radno pražnjenje olovne baterije nekoliko puta manje od teorijskog punog kapaciteta, a baterija željezo-nikal je vrlo blizu tome. Stoga, stvarni radni kapacitet željezno-nikal baterije, s jednakim teoretskim punim kapacitetom, može biti nekoliko puta (ovisno o načinu) veći od one olovne baterije.

10) Električni generatori istosmjerne i izmjenične struje.

Strojevi koji mehaničku energiju pretvaraju u električnu zovu se generatori.
Najjednostavniji generator istosmjerne struje (slika 1) je okvir od vodiča postavljen između polova magneta, čiji su krajevi spojeni na izolirane poluprstenove koji se nazivaju kolektorske ploče. Pozitivne i negativne četke pritisnute su na poluprstenove (kolektor), koji su zatvoreni vanjskim krugom kroz žarulju. Za rad generatora potrebno je okretati okvir vodiča s kolektorom. U skladu s pravilom desne ruke, kada se okvir vodiča s kolektorom okreće, u njemu će se inducirati električna struja koja mijenja svoj smjer svakih pola kruga, budući da će se magnetske silnice sa svake strane okvira presijecati. u jednom ili drugom smjeru. Istodobno se svakih pola okreta mijenja kontakt krajeva vodiča okvira i poluprstena komutatora s četkama generatora. Struja će teći u vanjski krug u jednom smjeru, mijenjajući samo vrijednost od 0 do maksimuma. Dakle, kolektor u generatoru služi za ispravljanje izmjenične struje koju stvara okvir. Kako bi električna struja bila konstantna ne samo po smjeru, već i po veličini (približno konstantnoj veličini), kolektor se sastoji od mnogo (36 ili više) ploča, a vodič se sastoji od mnogo okvira ili sekcija izrađenih u oblik namota armature .

Riža. 1. Shema najjednostavnijeg generatora istosmjerne struje: 1 - poluprsten ili kolektorska ploča; I - okvir vodiča; 3 - četka generatora

Osnovna struktura najjednostavnijeg generatora izmjenične struje prikazana je na sl. 4. Kod ovog generatora su krajevi okvira vodiča spojeni svaki na svoj prsten, a četke generatora su pritisnute na prstenove. Četke su zatvorene vanjskim krugom kroz žarulju. Kada se okvir s prstenovima okreće u magnetskom polju, generator će proizvoditi izmjeničnu struju koja mijenja veličinu i smjer svakih pola okretaja. Ova izmjenična struja naziva se jednofazna. U tehnici, generatori od tri