Vad händer i en elektrisk strömkälla. Elektrisk ström, källor till elektrisk ström: definition och väsen. Från uppfinningarnas historia

Förord.

Vad är elektrisk ström och vad är nödvändigt för dess förekomst och existens under den tid vi behöver?

Ordet "ström" betyder rörelse eller flöde av något. Elektrisk ström är den ordnade (riktade) rörelsen av laddade partiklar. För att få en elektrisk ström i en ledare måste du skapa ett elektriskt fält i den. För att en elektrisk ström ska existera i en ledare under lång tid är det nödvändigt att upprätthålla ett elektriskt fält i den hela tiden. Ett elektriskt fält skapas i ledare och kan bibehållas under lång tid källor till elektrisk ström . För närvarande använder mänskligheten fyra huvudsakliga strömkällor: statisk, kemisk, mekanisk och halvledare (solbatterier), men i var och en av dem arbetar man för att separera positivt och negativt laddade partiklar. Separata partiklar ackumuleras vid strömkällans poler, vilket är namnet på de platser som ledare är anslutna till med hjälp av terminaler eller klämmor. En pol av strömkällan laddas positivt, den andra - negativt. Om polerna är förbundna med en ledare, kommer fria laddade partiklar i ledaren att röra sig under påverkan av fältet och en elektrisk ström kommer att uppstå.

Elektricitet.

Källor till elektrisk ström.

Fram till 1650, den tid då stort intresse för elektricitet uppstod i Europa, fanns det inget känt sätt att enkelt få fram stora elektriska laddningar. Med det växande antalet forskare som är intresserade av elektrisk forskning kunde man förvänta sig skapandet av allt enklare och effektivare sätt att generera elektriska laddningar.

Otto von Guericke uppfann den första elektriska maskinen. Han hällde smält svavel i en ihålig glaskula och sedan, när svavlet stelnade, bröt han glaset, utan att inse att själva glaskulan kunde tjäna hans syften lika bra. Guericke förstärkte sedan svavelkulan som visas i fig. 1 så att den kunde roteras med ett handtag. För att få en laddning var det nödvändigt att rotera bollen med ena handen och med den andra trycka en bit hud mot den. Friktion höjde bollens potential till ett värde som var tillräckligt för att producera flera centimeter långa gnistor.

Den här maskinen var smärtsam

stor hjälp i experimentella

nom studerar el, men

ännu svårare uppgifter att ”hålla

leverans" och "reserv" av el

iska avgifter löstes

bara tack vare det som följer

fysikens framsteg. Faktum är att kraftfulla avgifter som

kan skapas på kroppar med hjälp av elektrostatisk elektricitet

Guerickes bilar försvann snabbt. Först trodde man att orsaken till detta var "avdunstning" av laddningar. Att förebygga

För att ”avdunsta” laddningar föreslogs att man skulle innesluta laddade kroppar i slutna kärl gjorda av isoleringsmaterial. Naturligtvis valdes glasflaskor som sådana kärl och vatten valdes som elektrifierat material, eftersom det var lätt att hälla på flaskor. För att kunna ladda vattnet utan att öppna flaskan fördes en spik genom korken. Idén var bra, men av då okända skäl fungerade inte enheten så bra. Som ett resultat av intensiva experiment upptäckte man snart att den lagrade laddningen och därmed kraften från elchocken dramatiskt kunde ökas om flaskan belades in- och utvändigt med ett ledande material, såsom tunna ark av folie. Dessutom, om du ansluter en spik med en bra ledare till ett lager av metall inuti flaskan, visar det sig att du kan klara dig utan vatten alls. Denna nya "lagring" av elektricitet uppfanns 1745 i den holländska staden Leiden och kallades Leyden-burken (Fig. 2).

Den första som upptäckte en annan möjlighet att generera elektricitet än genom elektrifiering genom friktion var den italienske vetenskapsmannen Luigi Galvani (1737-1798). Han var biolog till yrket, men arbetade i ett laboratorium där man gjorde experiment med el. Galvani upptäckte ett fenomen som var känt för många före honom; den bestod i det faktum att om bennerven på en död groda exciterades av en gnista från en elektrisk maskin, så började hela benet dra ihop sig. Men en dag märkte Galvani att tassen började röra på sig när bara en stålskalpell kom i kontakt med tassens nerv. Det mest överraskande var att det inte fanns någon kontakt mellan den elektriska maskinen och skalpellen. Denna fantastiska upptäckt tvingade Galvani att genomföra en serie experiment för att upptäcka orsaken till elektrisk ström. Ett av experimenten utfördes av Galvani för att ta reda på om samma rörelser i tassen orsakades av blixtens elektricitet. För att göra detta hängde Galvani flera grodlår på mässingskrokar i ett fönster täckt med järnstänger. Och han fann, tvärtemot hans förväntningar, att sammandragningar av tassarna inträffar när som helst, oavsett väderförhållanden. Närvaron av en elektrisk maskin eller annan elkälla i närheten visade sig vara onödig. Galvani slog vidare fast att istället för järn och mässing kunde två olika metaller användas, och kombinationen av koppar och zink orsakade fenomenet i den mest distinkta formen. Glas, gummi, harts, sten och torrt trä hade ingen effekt alls. Därmed förblev ursprunget till strömmen fortfarande ett mysterium. Var uppträder strömmen - bara i vävnaderna i grodans kropp, bara i olika metaller eller i en kombination av metaller och vävnader? Tyvärr kom Galvani till slutsatsen att strömmen uteslutande har sitt ursprung i grodans kroppsvävnader. Som ett resultat började begreppet "animalisk elektricitet" för hans samtida verka mycket mer verkligt än elektricitet av något annat ursprung.

En annan italiensk forskare Alessandro Volta (1745-1827) bevisade slutligen att om du placerar grodlår i vattenlösningar av vissa ämnen, så uppstår inte galvanisk ström i grodans vävnader. I synnerhet gällde detta källvatten eller rent vatten i allmänhet; denna ström uppträder när syror, salter eller alkalier tillsätts vatten. Tydligen inträffade den största strömmen i en kombination av koppar och zink placerad i en utspädd lösning av svavelsyra. Kombinationen av två plattor av olika metaller nedsänkta i en vattenlösning av alkali, syra eller salt kallas en galvanisk (eller kemisk) cell.

Om bara friktion och kemiska processer i galvaniska celler var medlet för att erhålla elektromotorisk kraft, då skulle kostnaden för elektrisk energi som krävs för att driva olika maskiner vara extremt hög. Som ett resultat av ett stort antal experiment gjorde forskare från olika länder upptäckter som gjorde det möjligt att skapa mekaniska elektriska maskiner som genererar relativt billig el.

I början av 1800-talet gjorde Hans Christian Oersted upptäckten av ett helt nytt elektriskt fenomen, som bestod i att när ström passerar genom en ledare så bildas ett magnetfält runt den. Några år senare, 1831, gjorde Faraday en annan upptäckt, lika stor som Oersteds upptäckt. Faraday upptäckte att när en rörlig ledare korsar magnetfältslinjer, induceras en elektromotorisk kraft i ledaren, vilket orsakar en ström i kretsen där ledaren ingår. Den inducerade EMF förändras i direkt proportion till rörelsehastigheten, antalet ledare och styrkan på magnetfältet. Med andra ord är den inducerade emk direkt proportionell mot antalet kraftlinjer som korsas av ledaren per tidsenhet. När en ledare korsar 100 000 000 kraftlinjer på 1 sekund är den inducerade emk lika med 1 Volt. Genom att manuellt flytta en enda ledare eller trådspole i ett magnetfält kan stora strömmar inte erhållas. Ett effektivare sätt är att linda upp tråden på en stor spole eller göra spolen till en trumma. Spolen monteras sedan på en axel som ligger mellan magnetens poler och roteras av kraften från vatten eller ånga. Detta är i huvudsak hur en elektrisk strömgenerator fungerar, som är en mekanisk källa för elektrisk ström och som används aktivt av mänskligheten för närvarande.
Människor har använt solenergi sedan urminnes tider. Tillbaka 212 f.Kr. e. Med hjälp av koncentrerade solstrålar tände de den heliga elden nära templen. Enligt legenden satte den grekiske vetenskapsmannen Arkimedes, samtidigt som han försvarade sin hemstad, eld på seglen på den romerska flottans fartyg.

Solen är en termonukleär reaktor belägen 149,6 miljoner km från jorden och avger energi som når jorden huvudsakligen i form av elektromagnetisk strålning. Den största delen av solstrålningsenergin är koncentrerad till de synliga och infraröda delarna av spektrumet. Solstrålning är en outtömlig förnybar källa till miljövänlig energi. Utan att skada den ekologiska miljön kan 1,5 % av all solenergi som faller på jorden användas, d.v.s. 1,62 *10 16 kilowattimmar per år, vilket motsvarar en enorm mängd standardbränsle - 2 *10 12 ton.

Formgivarnas ansträngningar går längs vägen att använda fotoceller för att direkt omvandla solenergi till elektrisk energi. Fotokonverterare, även kallade solpaneler, består av ett antal fotoceller kopplade i serie eller parallellt. Om omvandlaren måste ladda ett batteri som driver till exempel en radioenhet under molniga tider, så kopplas den parallellt med solbatteriets poler (fig. 3). Element som används i solbatterier måste ha hög effektivitet, gynnsamma spektrala egenskaper, låg kostnad, enkel design och låg vikt. Tyvärr uppfyller endast ett fåtal av de fotoceller som är kända idag åtminstone delvis dessa krav. Dessa är i första hand vissa typer av halvledarfotoceller. Den enklaste av dem är selen. Tyvärr är effektiviteten för de bästa selenfotocellerna låg (0,1...1%).

Grunden för solbatterier är kiselfotokonverterare, som har formen av runda eller rektangulära plattor med en tjocklek på 0,7 - 1 mm och en yta på upp till 5 - 8 cm2. Erfarenhet har visat att små element med en yta på cirka 1 kvadratmeter ger bra resultat. se, med en verkningsgrad på cirka 10%. Fotoceller tillverkade av halvledarmetaller med en teoretisk verkningsgrad på 18 % har också skapats. Förresten, den praktiska effektiviteten hos fotoelektriska omvandlare (cirka 10%) överstiger effektiviteten hos ett ånglok (8%), effektiviteten av solenergi i växtvärlden (1%), såväl som effektiviteten hos många hydrauliska och vindanordningar. Solceller har praktiskt taget obegränsad hållbarhet. Som jämförelse kan vi ge effektivitetsvärdena för olika elektriska energikällor (i procent): kraftvärmeverk - 20-30, termoelektrisk omvandlare - 6 - 8, selenfotocell - 0,1 - 1, solbatteri - 6 - 11, bränslecell - 70, blybatteri - 80 - 90.

1989 skapade Boeing (USA) en tvåskiktsfotocell bestående av två halvledare - galliumarsenid och galliumantimonid - med en omvandlingsfaktor för solenergi till elektrisk energi lika med 37%, vilket är ganska jämförbart med effektiviteten hos modern termisk och kärnkraftverk. Det har nyligen bevisats att den fotovoltaiska metoden att omvandla solenergi teoretiskt gör det möjligt att använda solenergi med en verkningsgrad på upp till 93%! Men initialt trodde man att den maximala övre gränsen för solcellers effektivitet inte var mer än 26%, d.v.s. betydligt lägre än effektiviteten hos högtemperaturvärmemotorer.

Solbatterier används för närvarande huvudsakligen i rymden och på jorden endast för strömförsörjning till autonoma konsumenter med en effekt på upp till 1 kW, strömförsörjning för radionavigering

och elektronisk utrustning med låg effekt, drivningar för experimentella elfordon och flygplan. När solpaneler förbättras kommer de att finna tillämpning i bostadshus för autonom strömförsörjning, d.v.s. värme och varmvattenförsörjning, samt för att generera el för belysning och drivning av elektriska hushållsapparater.

Källor till elektrisk ström Slutförd av: Anton Rubtsov, årskurs 8 B-elev vid Kommunal utbildningsinstitution Gymnasieskola nr 105 Vetenskaplig handledare: E. A. Maslova, fysiklärare

När jag valde ett ämne ville jag studera historien om skapandet av elektriska strömkällor och också göra några källor med mina egna händer, upprepa experimenten från kända forskare. Relevans Mänskligheten kan inte existera utan elektrisk energi, och kanske kommer någon att kunna upptäcka nya källor till elektrisk ström som är mer ekonomiska och billigare. Syftet med arbetet är att studera huvudtyperna av elektriska strömkällor, principen för deras funktion och att göra källorna med dina egna händer. Mål: 1. Betrakta huvudtyperna av elektriska strömkällor. 2. Studera principen för drift av strömkällor. 3. Gör några källor med dina egna händer.

Huvuddel En strömkälla är en anordning där någon typ av energi omvandlas till elektrisk energi. I vilken strömkälla som helst arbetar man för att separera positivt och negativt laddade partiklar som ackumuleras vid källans poler. Elektrisk ström är den riktade (ordnade) rörelsen av laddade partiklar (elektroner, joner etc.) Rörelseriktningen för positivt laddade partiklar tas som strömmens riktning. Om strömmen skapas av negativt laddade partiklar (till exempel elektroner), anses strömriktningen vara motsatt partiklarnas rörelseriktning.

Historien om skapandet av de första aktuella källorna

Bärnstens egenskaper Thales of Miletus var den första som uppmärksammade elektrisk laddning. Han upptäckte att bärnsten, gnuggad med ull, får egenskaperna att locka till sig små föremål. Fossiliserat harts från gamla träd som växte på vår planet för 38-120 miljoner år sedan.

Elektrisk maskin Otto von Guericke Otto von Guericke uppfann den första elektriska maskinen. Han hällde smält svavel i en ihålig glaskula och sedan, när svavlet stelnade, krossade han glaset. Guericke förstärkte sedan svavelkulan så att den kunde roteras med ett handtag. För att få en laddning var det nödvändigt att rotera bollen med ena handen och med den andra trycka en bit hud mot den. Friktionen höjde kulans spänning till ett värde som var tillräckligt för att producera flera centimeter långa gnistor.

Leydenburk En Leydenburk är en glasflaska inslagen i folie på båda sidor. Det finns en metallstav inuti burken. En burk ansluten med plattor till en elektrisk maskin kan ackumulera en betydande mängd elektricitet. Om dess plattor var förbundna med en bit tjock tråd, skulle en stark gnista hoppa vid kortslutningspunkten, och den ackumulerade elektriska laddningen skulle omedelbart försvinna. Detta gjorde det möjligt att få en kortvarig elektrisk ström. Sedan fick burken laddas igen. Nu kallar vi sådana enheter elektriska kondensatorer.

Galvanis element Luigi Galvani (1737-1798) är en av grundarna till doktrinen om elektricitet, hans experiment med "animalisk" elektricitet lade grunden för en ny vetenskaplig riktning - elektrofysiologi. Som ett resultat av experiment med grodor föreslog Galvani förekomsten av elektricitet i levande organismer. En galvanisk cell, ett batteri, döptes efter honom.

Voltaisk kolumn Alesandro Volta (1745 - 1827) - italiensk fysiker, kemist och fysiolog, uppfinnare av en källa för likström. Dess första strömkälla är en "voltaisk kolumn". Volta placerade omväxlande flera dussin små zink- och silvercirklar ovanpå varandra och placerade papper fuktat med saltat vatten mellan dem.

Huvudtyper av elektriska strömkällor Mekaniskt Termiskt Ljus Kemiskt Termiskt element Fotocell Elektroformaskin Galvanisk cell

Djurströmkällor

Elektricitet inuti levande organismer Många växter upplever skadeströmmar. Delar av blad och stjälkar är alltid negativt laddade i förhållande till normal vävnad.

Djur som producerar elektrisk ström Elektrisk stingrocka (upp till 220 V) Amerikansk havskatt (upp till 360 V) Ål (upp till 1200 V)

Frukt och grönsaker som producerar elektrisk ström. Frukt och grönsaker kan delas in i de som initialt innehåller och de som får intraalkalisk eller sur balans genom oxidationsprocessen. De första inkluderar citrusfrukter (citron) och potatis. Och för det andra till exempel inlagd gurka och inlagd tomat.

Atmosfärisk elektricitet När luft rör sig blir olika luftströmmar elektrifierade till följd av kontakt. En del av molnet (övre) är positivt elektrifierad och den andra (nedre) är negativt elektrifierad. I det ögonblick då molnets laddning blir stor, hoppar en kraftfull elektrisk gnista – blixtar – mellan dess två elektrifierade delar.

Praktisk del

Hemgjorda batterier För att göra hemmagjorda batterier behöver vi instrument och material: Kopparplatta Zinkplatta Citron, gurka, läsk, vatten, mynt Voltmeter Anslutningsledningar

Galvanisk cell gjord av citron Producerar elektrisk ström med spänning

Galvanisk cell från den första inlagda gurkan Producerar elektrisk ström med spänning

Galvanisk cell från den andra och tredje gurkan

Ett batteri av två inlagda gurkor producerar en elektrisk ström med spänning

Ett batteri med tre inlagda gurkor producerar en elektrisk ström med spänning

En glödlampa kopplad till en kedja av tre inlagda gurkor Kedjan har satts ihop Glödlampan lyser.

Sodabatteri Producerar elektrisk ström med spänning

Sodabatteri med två och tre celler

En glödlampa kopplad till en krets av tre läskelement Kretsen har satts ihop Glödlampan lyser.

Saltat batteri Producerar elektrisk ström med spänning

Slutsats För att uppnå målet med detta arbete löste jag följande problem: Betraktade huvudtyperna av källor för elektrisk ström. 1. Mekaniska strömkällor 2. Termiska strömkällor 3. Ljusströmkällor 4. Kemiska strömkällor Studerade principen för strömkällors funktion. Jag gjorde några källor med mina egna händer. 1. Galvanisk cell gjord av citron. 2. Galvanisk cell gjord av inlagd gurka. 3. Sodabatteri. 4. Saltat batteri.

Bibliografi Abramov S.S.. Great Encyclopedia of Cyril and Mytodius. 2009 Wikipedia - den fria encyklopedin. www. ru. wikipedia. org. Julian Holland. Stort illustrerat uppslagsverk över de lærde. "Svalstjärt" 2001; Kartsev V.P. Äventyr av de stora ekvationerna. M.: Utbildning, 2007

Från en fysikkurs vet alla att elektrisk ström betyder den riktade, ordnade rörelsen av partiklar som bär en laddning. För att erhålla det bildas ett elektriskt fält i ledaren. Detsamma är nödvändigt för att den elektriska strömmen ska fortsätta existera under lång tid.

Källor till elektrisk ström kan vara:

• statisk;
• kemisk;
• mekanisk;
• halvledare.

I var och en av dem utförs arbete där olika laddade partiklar separeras, det vill säga ett elektriskt fält av en strömkälla skapas. Efter att ha separerat ackumuleras de vid polerna, på de platser där ledarna är anslutna. När polerna är sammankopplade med en ledare börjar laddade partiklar röra sig och en elektrisk ström genereras.

Källor till elektrisk ström: uppfinningen av den elektriska maskinen

Fram till mitten av 1600-talet krävde generering av elektrisk ström mycket ansträngning. Samtidigt växte antalet forskare som arbetar med denna fråga. Och så uppfann Otto von Guericke världens första elektriska maskin. I ett av experimenten med svavel, det, smält inuti en ihålig glaskula, härdade och krossade glaset. Guericke förstärkte bollen så att den kunde roteras. Genom att rotera den och trycka på en bit läder fick han en gnista. gjort det mycket lättare att få kortvarig el. Men svårare problem löstes endast med den fortsatta utvecklingen av vetenskapen.

Problemet var att Guerickes anklagelser snabbt försvann. För att öka laddningens varaktighet placerades kropparna i slutna kärl (glasflaskor), och det elektrifierade materialet var vatten med en spik. Experimentet optimerades när flaskan var belagd på båda sidor med ledande material (t.ex. folieark). Som ett resultat insåg de att de kunde klara sig utan vatten.

Grodlår som aktuell källa

En annan metod för att generera elektricitet upptäcktes först av Luigi Galvani. Som biolog arbetade han i ett laboratorium där man experimenterade med elektricitet. Han såg hur ett dödt grodben drog sig samman när det upphetsades av en gnista från en maskin. Men en dag uppnåddes samma effekt av en slump när en vetenskapsman rörde vid den med en stålskalpell.

Han började leta efter orsakerna varifrån den elektriska strömmen kom. Källorna till elektrisk ström, enligt hans slutliga slutsats, var lokaliserade i grodans vävnader.

En annan italienare, Alessandro Volto, bevisade inkonsekvensen i "groda"-naturen hos genereringen av ström. Det observerades att den högsta strömmen uppstod när koppar och zink sattes till svavelsyralösningen. Denna kombination kallas ett galvaniskt eller kemiskt element.

Men att använda ett sådant sätt för att få EMF skulle bli för dyrt. Därför arbetade forskare med en annan, mekanisk, metod för att producera elektrisk energi.

Hur fungerar en vanlig generator?

I början av artonhundratalet började G.H. Oersted upptäckte att när ström passerade genom en ledare uppstod ett fält av magnetiskt ursprung. Och lite senare upptäckte Faraday att när kraftlinjerna i detta fält skär varandra, induceras en emk i ledaren, vilket orsakar en ström. EMF ändras beroende på rörelsehastigheten och ledarna själva, samt på fältstyrkan. När man korsade hundra miljoner kraftlinjer per sekund blev den inducerade EMF lika med en volt. Det är tydligt att manuell ledning i ett magnetfält inte kan producera en stor elektrisk ström. Källor för elektrisk ström av denna typ har visat sig vara mycket mer effektiva när man lindar tråden på en stor spole eller producerar den i form av en trumma. Spolen var monterad på en axel mellan en magnet och roterande vatten eller ånga. En sådan mekanisk strömkälla är inneboende i konventionella generatorer.

Bra Tesla

Den lysande serbiske forskaren Nikola Tesla, som ägnade sitt liv åt elektricitet, gjorde många upptäckter som vi fortfarande använder idag. Flerfasiga elmotorer, energiöverföring genom flerfas växelström - det här är inte hela listan över uppfinningar av den store vetenskapsmannen.

Många är övertygade om att fenomenet i Sibirien, som kallas Tunguska-meteoriten, faktiskt orsakades av Tesla. Men kanske en av de mest mystiska uppfinningarna är en transformator som kan ta emot spänningar på upp till femton miljoner volt. Det som är ovanligt är både dess struktur och dess beräkningar, som trotsar kända lagar. Men på den tiden började de utveckla vakuumteknik, där det inte fanns några oklarheter. Därför glömdes forskarens uppfinning bort ett tag.

Men idag, med tillkomsten av teoretisk fysik, har intresset för hans arbete blivit förnyat. Eter erkändes som en gas, som är föremål för alla gasmekanikens lagar. Det var därifrån som den store Tesla hämtade sin energi. Det är värt att notera att den eteriska teorin var mycket vanlig förr bland många vetenskapsmän. Först i och med uppkomsten av SRT – Einsteins speciella relativitetsteori, där han motbevisade eterns existens – glömdes den bort, även om den allmänna teorin som formulerades senare inte utmanade den som sådan.

Men låt oss för närvarande uppehålla oss mer i detalj vid elektrisk ström och enheter som är allestädes närvarande idag.

Utveckling av teknisk utrustning - aktuella källor

Sådana enheter används för att omvandla olika typer av energi till elektrisk energi. Trots att fysikaliska och kemiska metoder för att producera elektrisk energi upptäcktes för länge sedan, blev de utbredda först under andra hälften av 1900-talet, då radioelektroniken började utvecklas snabbt. De ursprungliga fem galvaniska paren kompletterades med ytterligare 25 typer. Och teoretiskt kan det finnas flera tusen galvaniska par, eftersom fri energi kan realiseras på vilket oxiderande och reduktionsmedel som helst.

Fysiska strömkällor

Fysiska strömkällor började utvecklas lite senare. Modern teknik ställde allt strängare krav och industriella termiska och termioniska generatorer klarade allt fler uppgifter framgångsrikt. Fysiska strömkällor är enheter där termisk, elektromagnetisk, mekanisk och strålningsenergi och kärnsönderfall omvandlas till elektrisk energi. Utöver ovanstående inkluderar de även elektriska maskin- och MHD-generatorer, såväl som de som används för att omvandla solstrålning och atomärt förfall.

För att säkerställa att den elektriska strömmen i ledaren inte försvinner behövs en extern källa för att upprätthålla potentialskillnaden i ledarens ändar. För detta ändamål finns det energikällor som har en viss potentiell skillnad att skapa och underhålla. En elektrisk strömkällas emk mäts av det arbete som utförs när en positiv laddning överförs genom en sluten krets.

Resistansen inuti en strömkälla kännetecknar den kvantitativt och bestämmer mängden energi som går förlorad när den passerar genom källan.

Effekt och effektivitet är lika med förhållandet mellan spänningen i den externa elektriska kretsen och emk.

Kemiska strömkällor

En kemisk strömkälla i en EMF elektrisk krets är en enhet där energin från kemiska reaktioner omvandlas till elektrisk energi.

Den är baserad på två elektroder: ett negativt laddat reduktionsmedel och ett positivt laddat oxidationsmedel, som är i kontakt med elektrolyten. En potentialskillnad, EMF, uppstår mellan elektroderna.

Moderna enheter använder ofta:

• som reduktionsmedel - bly, kadmium, zink och andra;
• oxidationsmedel - nickelhydroxid, blyoxid, mangan och andra;
• elektrolyt - lösningar av syror, alkalier eller salter.

Torra element gjorda av zink och mangan används ofta. Ett zinkkärl (med negativ elektrod) tas. En positiv elektrod med en blandning av mangandioxid och kol eller grafitpulver placeras inuti, vilket minskar motståndet. Elektrolyten är en pasta av ammoniak, stärkelse och andra komponenter.

Ett blybatteri är oftast en sekundär kemisk strömkälla i en elektrisk krets, som har hög effekt, stabil drift och låg kostnad. Batterier av denna typ används inom en mängd olika områden. De är ofta att föredra för startbatterier, som är särskilt värdefulla i bilar, där de i allmänhet har monopol.

Ett annat vanligt batteri består av järn (anod), nickeloxidhydrat (katod) och en elektrolyt - en vattenlösning av kalium eller natrium. Det aktiva materialet placeras i nickelpläterade stålrör.

Användningen av denna art minskade efter Edison-växtbranden 1914. Men om vi jämför egenskaperna hos den första och andra typen av batterier, visar det sig att driften av järn-nickel-batterier kan vara många gånger längre än bly-syra.

DC och AC generatorer

Generatorer är enheter som syftar till att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi.

Den enklaste likströmsgeneratorn kan tänkas som en ram av ledare, som placeras mellan de magnetiska polerna, och ändarna är anslutna till isolerade halvringar (kollektor). För att enheten ska fungera är det nödvändigt att säkerställa rotation av ramen med uppsamlaren. Då kommer en elektrisk ström att induceras i den och ändra dess riktning under påverkan av magnetiska kraftlinjer. Den kommer att gå in i den externa kretsen i en enda riktning. Det visar sig att kollektorn kommer att korrigera den växelström som genereras av ramen. För att uppnå konstant ström är kollektorn gjord av trettiosex eller fler plattor, och ledaren består av många ramar i form av en ankarlindning.

Låt oss överväga vad som är syftet med en strömkälla i en elektrisk krets. Låt oss ta reda på vilka andra aktuella källor som finns.

ström, strömstyrka, strömkälla

En elektrisk krets består av en strömkälla som tillsammans med andra objekt skapar en väg för strömmen. Och begreppen EMF, ström och spänning avslöjar de elektromagnetiska processer som sker under denna process.

Den enklaste elektriska kretsen består av en strömkälla (batteri, galvanisk cell, generator, etc.), energiförbrukare av elmotorer, etc.), samt ledningar som förbinder spänningskällans terminaler och konsumenten.

En elektrisk krets har interna (elkälla) och externa (ledningar, strömbrytare och strömbrytare, mätinstrument) delar.

Det fungerar bara och har ett positivt värde om en sluten krets säkerställs. Varje avbrott gör att strömmen slutar flyta.

En elektrisk krets består av en strömkälla i form av galvaniska celler, elektriska batterier, elektromekaniska och fotoceller, och så vidare.

Elmotorer som omvandlar energi till mekanisk energi, belysnings- och värmeanordningar, elektrolysinstallationer och så vidare fungerar som elektriska mottagare.

Till hjälputrustning hör anordningar som används för att slå på och av, mätinstrument och skyddsmekanismer.

Alla komponenter är indelade i:

• aktiv (där den elektriska kretsen består av en EMF-strömkälla, elmotorer, batterier och så vidare);
• passiv (som inkluderar elektriska mottagare och anslutningsledningar).

Kretsen kan också vara:

• linjär, där elementets motstånd alltid kännetecknas av en rak linje;
• olinjär, där resistansen beror på spänning eller ström.

Här är det enklaste diagrammet där en strömkälla, en nyckel, en elektrisk lampa och en reostat ingår i kretsen.

Trots den utbredda utbredda användningen av sådana tekniska anordningar, särskilt nyligen, ställer människor alltmer frågor om installation av alternativa energikällor.

Olika elektriska energikällor

Vilka andra källor till elektrisk ström finns? Det är inte bara sol, vind, land och tidvatten. De har redan blivit de så kallade officiella alternativa elkällorna.

Det måste sägas att det finns många alternativa källor. De är inte vanliga eftersom de ännu inte är praktiska och bekväma. Men vem vet, framtiden kanske bara blir deras.

Så det är möjligt att få elektrisk energi från saltvatten. Ett kraftverk som använder denna teknik har redan skapats i Norge.

Elkraftverk kan också arbeta på bränsleceller med fast oxidelektrolyt.

Piezoelektriska generatorer är kända som tar emot energi tack vare kinetisk energi (gångvägar, fartgupp, vändkors och till och med dansgolv finns redan med denna teknik).

Det finns också nanogeneratorer som syftar till att omvandla energi i själva människokroppen till elektrisk energi.

Vad kan du säga om alger som används för att värma hus, fotbollssvärd som genererar elektrisk energi, cyklar som kan ladda prylar och till och med finhackat papper som används som strömkälla?

Enorma framtidsutsikter ligger naturligtvis i utvecklingen av vulkanisk energi.

Allt detta är verkligheten i dag, som forskarna arbetar med. Det är mycket möjligt att några av dem mycket snart kommer att bli ett helt vanligt fenomen, som elektricitet i hemmen idag.

Eller kanske någon kommer att avslöja vetenskapsmannen Nikola Teslas hemligheter, och mänskligheten kommer lätt att kunna få elektricitet från etern?

Den här artikeln kommer att beskriva metoder för att producera elektrisk ström, deras typer, fördelar och nackdelar. Generellt sett kan strömkällor delas in i mekaniska, kemiska och de som använder andra fysikaliska transformationer.

Kemiska strömkällor

Kemiska strömkällor omvandlar de kemiska reaktionerna av en oxidator och en reducering till en emk. Den första kemiska strömkällan uppfanns av Alessandro Volta år 1800. Därefter kallades hans uppfinning "Volta Element". De voltaiska elementen anslutna till ett vertikalt batteri utgör en voltaisk kolumn.

1859 uppfann den franske fysikern Gston Plante bly-syrabatteriet. Den bestod av blyplattor placerade i svavelsyra. Denna typ av batteri används fortfarande i stor utsträckning, till exempel i bilar.

1965 föreslog den franske kemisten J. Leclanche ett element bestående av en zinkkopp med en ammoniumkloridlösning, i vilken ett manganoxidagglomerat med en kolledare placerades. Detta element blev stamfadern till moderna saltbatterier.

Alla kemiska grundämnen är baserade på 2 elektroder. En av dem är ett oxidationsmedel och den andra är ett reduktionsmedel, båda är i kontakt med elektrolyten. En EMF uppstår mellan elektroderna. Vid anoden oxideras reduktionsmedlet, elektroner passerar genom den yttre kretsen till katoden och deltar i reduktionsreaktionen av oxidationsmedlet. Således passerar flödet av elektroner genom den externa kretsen från den negativa polen till den positiva. Bly används som reduktionsmedel. kadmium, zink och andra metaller. Oxidationsmedel - blyoxid, manganoxid, nickelhydroxid och andra. Som elektrolyt används lösningar av alkalier, syror och salter.

Det finns även bränsleceller där oxidationsmedlet och reduktionsmedlet tillförs externt. Ett exempel är en väte-syrebränslecell, som fungerar på samma princip som en elektrolysör, bara omvänt - väte och syre tillförs plattorna, och elektricitet genereras genom reaktionen av deras kombination till vatten.

Mekaniska strömkällor

Mekaniska strömkällor inkluderar alla källor som omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi. Vanligtvis används inte direkta transformationer, utan genom annan energi, vanligtvis magnetisk. Till exempel roterar ett magnetfält i generatorer - skapade av magneter, eller på annat sätt exciterade, som verkar på lindningarna och skapar en EMF.

VA. Lenz upptäckte redan 1833 att elektriska motorer med permanentmagneter kunde generera elektricitet om rotorn snurrades. Som en del av uppdraget för att testa Jacobis elmotor, bevisade han experimentellt elmotorns reversibilitet. Det upptäcktes senare att den energi som genereras av generatorn kan användas för att driva sina egna elektromagneter.

Den första generatorn byggdes 1832 av uppfinnare från Paris, bröderna Pixin. Generatorn använde en permanent magnet, vars rotation genererade en EMF i närliggande lindningar. 1843 byggde Emil Stehrer även en generator bestående av 3 magneter och 6 spolar. Alla tidiga generatorer använde permanentmagneter. Senare (1851-1867) användes elektromagneter som drevs av en inbyggd permanentmagnetgenerator. En sådan maskin skapades av Henry Wilde 1863.

En oanvänd men fortfarande existerande metod som använder piezokeramik kan också klassificeras som mekanisk. Piezoemittern är också reversibel och kan generera energi under mekanisk påverkan.

Andra kraftkällor

Den vanligaste icke-mekaniska kraftkällan idag är ett solbatteri. Ett solbatteri omvandlar ljus direkt till elektricitet genom att slå ut elektroner i en pn-övergång med fotonenergi. De mest använda solcellerna är kiselbaserade. De produceras genom att samma halvledare doppas med olika föroreningar för att skapa np-övergångar.

Vid fältförhållanden används ofta Peltier-element. Peltierelementet skapar en temperaturskillnad när elektrisk ström flyter. Den motsatta effekten, Seebeck-effekten, används för att producera en elektrisk ström när en temperaturskillnad appliceras på ett element. På grund av användningen av olika ledare är temperaturen på var och en olika, vilket leder till flödet av elektroner från en varmare ledare till en mindre uppvärmd.

Aktuella källor, apparater som omvandlar olika typer av energi till elektricitet. Baserat på vilken typ av energi som omvandlas kan energikällor delas in i kemiska och fysiska. Information om de första kemiska batterierna (galvaniska celler och batterier) går tillbaka till 1800-talet. (till exempel Volta-batteri, Leclanche-cell). Dock fram till 40-talet. 1900-talet I världen har inte mer än 5 typer av galvaniska par utvecklats och implementerats i design. Från mitten av 40-talet. Som ett resultat av utvecklingen av radioelektronik och den utbredda användningen av autonoma elektriska generatorer har cirka 25 fler typer av galvaniska par skapats. Teoretiskt kan den fria energin från kemiska reaktioner av nästan alla oxidationsmedel och reduktionsmedel realiseras i elektrisk energi, och därför är implementeringen av flera tusen galvaniska par möjlig. Funktionsprinciperna för de flesta fysiska elektroniska teknologier var kända redan på 1800-talet. Därefter, på grund av snabb utveckling och förbättring, blev turbogeneratorer och hydrogeneratorer de viktigaste industriella elkällorna. Fysisk teknik baserad på andra principer fick industriell utveckling först på 50- och 60-talen. 1900-talet, vilket beror på den moderna teknikens ökade och ganska specifika krav. På 60-talet tekniskt utvecklade länder hade redan industriella prover av termogeneratorer, termiongeneratorer (USSR, Tyskland, USA), kärnkraftsbatterier

Kemiska strömkällor Det är vanligt att kalla enheter som genererar elektrisk ström med hjälp av energin från redoxreaktioner av kemiska reagenser. I enlighet med driftschemat och förmågan att leverera energi till det elektriska nätverket är kemiska generatorer uppdelade i primära, sekundära och backup-, såväl som elektrokemiska generatorer.

Fysiska strömkällorär enheter som omvandlar termisk, mekanisk, elektromagnetisk energi, såväl som strålningsenergin och kärnsönderfallet till elektrisk energi. I enlighet med den vanligaste klassificeringen inkluderar fysiska generatorer: elektriska maskingeneratorer, termoelektriska generatorer, termionomvandlare, MHD-generatorer, såväl som generatorer som omvandlar energin från solstrålning och atomärt förfall

För att upprätthålla en elektrisk ström i en ledare behövs någon extern energikälla, som alltid skulle upprätthålla en potentialskillnad i ändarna av denna ledare.
Sådana energikällor är de så kallade källorna för elektrisk ström, som har en viss elektromotorisk kraft som skapar och upprätthåller en potentialskillnad i ledarens ändar under lång tid.

Numeriskt mäts elektromotorisk kraft av det arbete som utförs av en elektrisk energikälla när en enda positiv laddning överförs genom en sluten krets.

Om energikällan, som utför arbete A, säkerställer överföringen av laddning q genom den slutna kretsen, kommer dess elektromotoriska kraft (E) att vara lika med

Strömkällans inre motstånd- en kvantitativ egenskap hos en strömkälla, som bestämmer mängden energiförluster när den passerar genom den elektriska strömkällan.
Intern resistans har dimensionen resistans och mäts i ohm.
När en elektrisk ström passerar genom en källa sker samma processer för energiförlust som när den passerar genom ett belastningsmotstånd. Tack vare dessa processer är spänningen vid strömkällans terminaler inte lika med den elektromotoriska kraften, utan beror på strömmens storlek och följaktligen på belastningen. Vid små strömvärden är detta beroende linjärt och kan representeras i formen

8) Kraft och effektivitet källan är lika med förhållandet mellan spänningen i den externa kretsen och storleken på emk. Elkraft- en fysisk storhet som kännetecknar överföringshastigheten eller omvandlingen av elektrisk energi. Nettoeffekten varierar beroende på externt motstånd på ett mer komplext sätt. Faktum är att Puseful = 0 vid extrema värden av externt motstånd: vid R = 0 och R®¥. Således bör den maximala användbara effekten inträffa vid mellanliggande värden för externt motstånd.

9) Kemisk strömkälla (förkortning TRÄFFA) är en källa till EMF där energin från de kemiska reaktioner som sker i den omvandlas direkt till elektrisk energi.

Funktionsprincip: Kemiska strömkällor är baserade på två elektroder (en negativt laddad anod som innehåller ett reduktionsmedel och en positivt laddad katod som innehåller ett oxidationsmedel) i kontakt med elektrolyten. En potentialskillnad etableras mellan elektroderna - en elektromotorisk kraft som motsvarar redoxreaktionens fria energi. Verkan av kemiska strömkällor är baserad på förekomsten av rumsligt separerade processer i en sluten extern krets: vid den negativa anoden oxideras reduktionsmedlet, de resulterande fria elektronerna passerar genom den externa kretsen till den positiva katoden, vilket skapar en urladdningsström , där de deltar i reduktionsreaktionen av oxidationsmedlet. Således går flödet av negativt laddade elektroner genom den externa kretsen från anoden till katoden, det vill säga från den negativa elektroden (den negativa polen för den kemiska strömkällan) till den positiva. Detta motsvarar flödet av elektrisk ström i riktning från den positiva polen till den negativa, eftersom strömriktningen sammanfaller med rörelseriktningen för positiva laddningar i ledaren.

Moderna kemiska strömkällor använder:

· som reduktionsmedel (anodmaterial) - bly Pb, kadmium Cd, zink Zn och andra metaller;

· som oxidationsmedel (katodmaterial) - bly(IV)oxid PbO2, nickelhydroxid NiOOH, mangan(IV)oxid MnO2 och andra;

· som en elektrolyt - lösningar av alkalier, syror eller salter.

2) Mangan-zink (MC) torra grundämnen med en depolarisator av mangandioxid har blivit utbredd.
En torr cell av kopptyp (fig. 3) har ett rektangulärt eller cylindriskt zinkkärl, som är en negativ elektrod. En positiv elektrod i form av kol placeras inuti den.
pinnar eller tallrikar, som ligger i en påse fylld med en blandning av mangandioxid med kol eller grafitpulver. Kol eller grafit tillsätts för att minska motståndet. Kolstaven och påsen med den depolariserande massan kallas ett agglomerat. En pasta som består av ammoniak (NH4Cl), stärkelse och några andra ämnen används som elektrolyt. För skålelement är den centrala terminalen den positiva polen.

Blybatterier är vanligast bland sekundära kemiska kraftkällor, som har relativt hög effekt i kombination med tillförlitlighet och relativt låg kostnad. Dessa batterier har en mängd praktiska tillämpningar. De har sin popularitet och breda produktion att tacka för startbatterier avsedda för olika fordon och framför allt bilar. På detta område är deras monopolställning stabil och varar under lång tid. De allra flesta stationära batterier och en betydande del av vagnsbatterier är utrustade med blybatterier. Blybatterier konkurrerar framgångsrikt med alkaliska traktionsbatterier.

Lezo-nickel batteriär en sekundär kemisk strömkälla i vilken järn är anoden, elektrolyten är en vattenlösning av natrium- eller kaliumhydroxid (med litiumhydroxidtillsatser), och katoden är nickel(III)oxidhydrat.

Det aktiva materialet finns i nickelpläterade stålrör eller perforerade fickor. När det gäller kostnad och specifik energiförbrukning ligger de nära litiumjonbatterier, och när det gäller självurladdning, effektivitet och spänning - NiMH-batterier. Dessa är ganska hållbara batterier, motståndskraftiga mot grov hantering (överladdning, djupurladdning, kortslutning och termisk stöt) och har en mycket lång livslängd.

Deras användning har minskat sedan Edisons fabriks-/labbbrand stoppade produktionen 1914, på grund av dålig batteriprestanda vid låga temperaturer, dålig laddningshållning och höga produktionskostnader jämförbara med de bästa förseglade blybatterierna och upp till 1/2 av kostnaden av NiMH-batterier. Men på grund av de senaste årens ökning av blykostnaden, vilket har fått priset på blybatterier att stiga avsevärt, har priserna nästan blivit lika.

När man jämför batterier med blybatterier bör man komma ihåg att den tillåtna driftsurladdningen för ett blybatteri är flera gånger mindre än den teoretiska fulla kapaciteten, och att den för ett järn-nickelbatteri ligger mycket nära den. Därför kan den faktiska operativa kapaciteten för ett järn-nickel-batteri, med en lika teoretisk full kapacitet, vara flera gånger (beroende på läget) större än för ett blybatteri.

10) Elektriska generatorer av lik- och växelström.

Maskiner som omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi kallas generatorer.
Den enklaste likströmsgeneratorn (fig. 1) är en ledarram placerad mellan polerna på en magnet, vars ändar är anslutna till isolerade halvringar som kallas kollektorplattor. Positiva och negativa borstar pressas mot halvringarna (kollektor), som stängs av en extern krets genom en glödlampa. För att generatorn ska fungera måste ledarramen med kollektorn vridas. I enlighet med högerregeln, när ledarens ram med kollektorn roterar, kommer en elektrisk ström att induceras i den, som ändrar dess riktning varje halva varv, eftersom de magnetiska kraftlinjerna på varje sida av ramen kommer att skära varandra åt ena eller andra hållet. Samtidigt ändras varje halvvarv kontakten mellan ramledarens ändar och kommutatorhalvringarna med generatorborstarna. Strömmen kommer att flöda in i den externa kretsen i en riktning och endast ändras i värde från 0 till max. Sålunda tjänar kollektorn i generatorn till att likrikta den växelström som genereras av ramen. För att den elektriska strömmen ska vara konstant inte bara i riktning utan också i storlek (ungefär konstant i storlek), är kollektorn gjord av många (36 eller fler) plattor, och ledaren består av många ramar eller sektioner gjorda i form av en ankarlindning.

Ris. 1. Diagram över den enklaste likströmsgeneratorn: 1 - halvring eller kollektorplatta; I - ledarram; 3 - generatorborste

Den grundläggande strukturen för den enklaste växelströmsgeneratorn visas i fig. 4. I denna generator är ledarramens ändar kopplade till var sin ring, och generatorborstarna pressas mot ringarna. Borstarna stängs av en extern krets genom en glödlampa. När ramen med ringar roterar i ett magnetfält kommer generatorn att producera en växelström som ändras i storlek och riktning varje halva varv. Denna växelström kallas enfas. Inom teknik, generatorer av tre-