Що відбувається у джерелі електричного струму. Електричний струм, джерела електричного струму: визначення та сутність. З історії винаходів

Передмова.

Що ж таке електричний струм і що необхідно для його виникнення та існування протягом потрібного часу?

Слово «струм» означає рух чи перебіг чогось. Електричним струмом називається впорядкований (спрямований) рух заряджених частинок. Щоб отримати електричний струм у провіднику, треба створити в ньому електричне поле. Щоб електричний струм у провіднику існував тривалий час, необхідно весь цей час підтримувати в ньому електричне поле. Електричне поле в провідниках створюється і може тривалий час підтримуватися джерелами електричного струму . В даний час людство використовує чотири основні джерела струму: статичний, хімічний, механічний і напівпровідниковий (сонячні батареї), але у кожному з них відбувається робота по поділу позитивно і негативно заряджених частинок. Роздільні частинки накопичуються на полюсах джерела струму, - так називають місця, до яких за допомогою клем або затискачів приєднують провідники. Один полюс джерела струму заряджається позитивно, інший негативно. Якщо полюси з'єднати провідником, то під дією поля вільні заряджені частинки у провіднику будуть рухатися, виникне електричний струм.

Електричний струм.

Джерела електричного струму.

До 1650 року - часу, коли в Європі прокинувся великий інтерес до електрики, - не було відомо способу легко отримувати великі електричні заряди. Зі зростанням числа вчених, які зацікавилися дослідженнями електрики, можна було очікувати створення дедалі більш простих та ефективних способів отримання електричних зарядів.

Отто фон Геріке придумав першу електричну машину. Він налив розплавлену сірку всередину порожньої скляної кулі, а потім, коли сірка затверділа, розбив скло, не здогадуючись про те, що сама скляна куля з неменшим успіхом могла б послужити її цілям. Потім Геріке зміцнив сірчану кулю так, як показано на рис.1, щоб її можна було обертати рукояткою. Для отримання заряду треба було однією рукою обертати кулю, а іншою – притискати до неї шматок шкіри. Тертя піднімало потенціал кулі до величини, достатньої, щоб отримувати іскри завдовжки кілька сантиметрів.

Ця машина виявила біль-

шу допомогу в експерименталь-

ном вивченні електрики, але

ще більш важкі завдання «хро-

ня» і «запасання» електри-

чеських зарядів вдалося вирішити

лише завдяки наступному

прогресу фізики. Справа в тому, що потужні заряди, які

можна було створювати на тілах за допомогою електростатичної

машини Геріке швидко зникали. Спочатку думали, що причиною цього є випаровування зарядів. Для запобігання

«випаровування» зарядів було запропоновано укласти заряджені тіла в закриті судини, виготовлені з ізолюючого матеріалу. Природно, як такі судини були обрані скляні пляшки, а як електризований матеріал - вода, оскільки її було легко наливати в пляшки. Щоб можна було зарядити воду, не відкриваючи пляшку, крізь пробку пропустили цвях. Задум був гарний, але з причин, на той час незрозумілих, прилад працював не так вже й вдало. В результаті інтенсивних експериментів незабаром було відкрито, що запасений заряд і тим самим силу електричного удару можна різко збільшити, якщо пляшку зсередини і зовні покрити матеріалом, що проводить, наприклад тонкими листами фольги. Більше того, якщо з'єднати цвях за допомогою гарного провідника з шаром металу всередині пляшки, то виявилося, що взагалі можна обійтися без води. Це нове «сховище» електрики було винайдено у 1745 році в голландському місті Лейдені та отримало назву лейденської банки (рис.2).

Перший хто відкрив іншу можливість отримання електрики, ніж за допомогою електризації тертям, був італійський вчений Луїджі Гальвані (1737-1798). Він був за фахом біолог, але працював у лабораторії, де проводилися досліди з електрикою. Гальвані нблю-дав явище, яке було відомо багатьом ще до нього; воно полягало в тому, що якщо ножний нерв мертвої жаби збудити іскрою від електричної машини, то починала скорочуватися вся лапка. Але одного разу Гальвані помітив, що лапка почала рухатися, коли з нервом лапки стикався тільки сталевий скальпель. Найдивовижніше було те, що між електричною машиною та скаль-пелем не було жодного контакту. Це разюче відкриття змусило Гальвані поставити ряд дослідів для виявлення причини електричного струму. Один з експериментів був поставлений Гальвані з метою з'ясувати, чи викликає такі рухи в лапці електрику блискавки. Для цього Гальвані підвісив на латунних гачках кілька жаб'ячих лапок у вікні, зачиненому залізними ґратами. І він знайшов, на противагу своїм очікуванням, що скорочення лапок відбуваються будь-коли, незалежно від стану погоди. Присутність поруч електричної машини чи іншого джерела електрики виявилося непотрібним. Гальвані встановив далі, що замість заліза та латуні можна використовувати будь-які два різнорідні метали, причому комбінація міді та цинку викликала явище в найвиразнішому вигляді. Скло, гума, смола, камінь та сухе дерево взагалі не давали жодного ефекту. Таким чином, виникнення струму все ще залишалося таємницею. Де ж з'являється струм - тільки в тканинах тіла жаби, тільки різнорідних металах чи комбінації металів і тканин? На жаль, Гальвані дійшов висновку, що струм виникає виключно у тканинах тіла жаби. В результаті його сучасникам поняття «тварини електрики» стало здаватися набагато реальнішим, ніж електрики будь-якого іншого походження.

Інший італійський вчений Алессандро Вольта (1745-1827) остаточно довів, що якщо помістити жаб'ячі лапки у водні розчини деяких речовин, то в тканинах жаби гальванічний струм не виникає. Зокрема, це мало місце для ключової чи взагалі чистої води; цей струм з'являється при додаванні до води кислот, солей чи лугів. Очевидно, найбільший струм виникав у комбінації міді і цинку, поміщених розбавлений розчин сірчаної кислоти. Комбінація двох пластин із різнорідних металів, занурених у водний розчин лугу, кислоти або солі, називається гальванічним (або хімічним) елементом.

Якби засобами отримання електрорушійної сили служили лише тертя і хімічні процеси в гальванічних елементах, то вартість електричної енергії, яка потрібна на роботи різних машин, була виключно висока. В результаті величезної кількості експериментів вченими різних країн було зроблено відкриття, що дозволило створити механічні електричні машини, що виробляють відносно дешеву електроенергію.

На початку 19 століття Ганс Христиан Ерстед зробив відкриття абсолютно нового електричного явища, яке полягало в тому, що при проходженні струму через провідник навколо нього утворюється магнітне поле. Через кілька років, в 1831, Фарадей зробив ще одне відкриття, рівне за своєю значимістю відкриття Ерстеда. Фарадей виявив, що коли провідник, що рухається, перетинає силові лінії магнітного поля, у провіднику наводиться електрорушійна сила, що викликає струм у ланцюгу, в яку входить цей провідник. Наведена ЕРС змінюється прямо пропорційно швидкості руху, числу провідників, а також напруженості магнітного поля. Інакше висловлюючись, наведена ЭРС прямо пропорційна числу силових ліній, пересекаемых провідником за одиницю часу. Коли провідник перетинає 100 000 000 силових ліній за 1 сек, наведена ЕРС дорівнює 1 Вольту. Переміщуючи одиночний провідник або дротяну котушку в магнітному полі вручну, великих струмів отримати не можна. Більш ефективним способом є намотування дроту на велику котушку або виготовлення котушки у вигляді барабана. Котушку потім насаджують на вал, розташований між полюсами магніту і обертається силою води або пари. Так, по суті, і влаштований генератор електричного струму, що належить до механічних джерел електричного струму, і активно використовується людством у час.
Сонячну енергію люди використовують із найдавніших часів. Ще 212 р. до зв. е. з допомогою концентрованих сонячних променів вони запалювали священний вогонь біля храмів. Згідно з легендою, приблизно в той же час грецький учений Архімед при захисті рідного міста підпалив вітрила кораблів римського флоту.

Сонце є віддаленим від Землі на відстань 149,6 млн км термоядерний реактор, що випромінює енергію, яка надходить на Землю головним чином у вигляді електромагнітного випромінювання. Найбільша частина енергії випромінювання Сонця зосереджена у видимій та інфрачервоній частині спектра. Сонячна радіація - це невичерпне поновлюване джерело екологічно чистої енергії. Без шкоди для екологічного середовища може бути використано 1,5% всієї сонячної енергії, що падає на землю, тобто. 1,62 * 10 16 кіловат \ годин на рік, що еквівалентно величезній кількості умовного палива - 2 * 10 12 т.

Зусилля конструкторів йдуть шляхом використання фотоелементів для прямого перетворення сонячної енергії в електричну. Фотоперетворювачі, які називаються також сонячними батареями, складаються з ряду фотоелементів, з'єднаних послідовно або паралельно. Якщо перетворювач повинен заряджати акумулятор, що живить, наприклад, радіопристрій у хмарний час, його підключають паралельно до виводів сонячної батареї (рис. 3). Елементи, що застосовуються в сонячних батареях, повинні мати великий ККД, вигідну спектральну характеристику, малу вартість, просту конструкцію і невелику масу. На жаль, лише деякі з відомих на сьогодні фотоелементів відповідають хоча б частково цим вимогам. Це насамперед деякі види напівпровідникових фотоелементів. Найпростіший з них – селеновий. На жаль, ККД кращих селенових фотоелементів малий (0,1...1%).

Основою сонячних батарей є кремнієві фотоперетворювачі, що мають вигляд круглих або прямокутних пластин товщиною 0,7 - 1 мм і площею до 5 - 8 кв.см. Досвід показав, що добрі результати дають невеликі елементи, площею близько 1 кв. див., що мають ККД близько 10%. Створено також фотоелементи з напівпровідникових металів із теоретичним ККД 18 %. До речі, практичний ККД фотоелектричних перетворювачів (близько 10 %) перевищує ККД паровоза (8 %), коефіцієнт корисного використання сонячної енергії у рослинному світі (1 %), а також ККД багатьох гідротехнічних та вітрових пристроїв. Фотоелектричні перетворювачі мають практично необмежену довговічність. Для порівняння можна навести значення ККД різних джерел електричної енергії (у відсотках): теплоелектроцентраль - 20-30, термоелектричний перетворювач - 6 - 8, селеновий фотоелемент - 0,1 - 1, сонячна бата-рея - 6 - 11, паливний елемент – 70, свинцевий акумулятор – 80 – 90.

У 1989 р. фірмою Боїнг (США) створено двошаровий фотоелемент, що складається з двох напівпровідників - арсеніду та антимоніду галію - з коефіцієнтом перетворення сонячної енергії в електричну, рівним 37%, що цілком можна порівняти з ККД сучасних теплових та атомних електростанцій. Нещодавно вдалося довести, що фотоелектричний метод перетворення сонячної енергії теоретично дозволяє використовувати енергію Сонця з ККД, що досягає 93%! Адже спочатку вважалося, що максимальна верхня межа ККД сонячних елементів становить трохи більше 26 %, тобто. значно нижче ККД високотемпературних теплових машин.

Сонячні батареї поки використовуються в основному в космосі, а на Землі тільки для електропостачання автономних споживачів потужністю до 1 кВт, живлення радіонавігаційної

та малопотужної радіоелектронної апаратури, приводу експериментальних електромобілів та літаків. У міру вдосконалення сонячних батарей вони будуть застосовуватися в житлових будинках для автономного енергопостачання, тобто. опалення та гарячого водопостачання, а також для вироблення електроенергії для освітлення та живлення побутових електроприладів.

Джерела електричного струму Виконав: Рубцов Антон учень 8 Б класу МОУ ЗОШ № 105 Науковий керівник: Маслова Є. А. вчитель фізики

Я захотів вивчити історію створення джерел електричного струму, а також зробити деякі джерела своїми руками, повторивши досліди відомих учених. Актуальність Людство не може існувати без електричної енергії і можливо комусь вдасться відкрити нові джерела електричного струму економічніші та менш затратні. Мета роботи – вивчення основних видів джерел електричного струму, принципу їхньої дії та виготовлення джерел своїми руками. Завдання: 1. Розглянути основні види джерел струму. 2. Вивчити принцип впливу джерел струму. 3. Виготовити деякі джерела своїми руками.

Основна частина Джерело струму - це пристрій, в якому відбувається перетворення будь-якого виду енергії на електричну енергію. У будь-якому джерелі струму відбувається робота з поділу позитивно і негативно заряджених частинок, що накопичуються на полюсах джерела. Електричний струм - спрямований (упорядкований) рух заряджених частинок (електронів, іонів та ін.) За напрям струму приймають напрямок руху позитивно заряджених частинок. Якщо струм створюється негативно зарядженими частинками (наприклад, електронами), напрям струму вважають протилежним напрямку руху частинок.

Історія створення перших джерел струму

Властивості бурштину Вперше на електричний заряд звернув увагу Фалес Мілетський. Він виявив, що бурштин, потертий вовну, набуває властивостей притягувати дрібні предмети. Скам'яніла смола стародавніх дерев, які росли на нашій планеті 38-120 млн років тому.

Електрична машина Отто фон Геріке Отто фон Геріке придумав першу електричну машину. Він налив розплавлену сірку всередину порожньої скляної кулі, а потім, коли сірка затверділа, розбив скло. Потім Геріке укріпив сірчану кулю так, щоб її можна було обертати рукояткою. Для отримання заряду треба було однією рукою обертати кулю, а іншою – притискати до неї шматок шкіри. Тертя піднімало напругу кулі до величини, достатньої, щоб отримувати іскри завдовжки кілька сантиметрів.

Лейденська банка Лейденська банка є скляною пляшкою, з обох боків обгорнуту фольгою. Усередині банки є металевий стрижень. Підключена обкладками до електричної машини банку могла накопичувати значну кількість електрики. Якщо її обкладки з'єднували відрізком товстого дроту, то місці замикання проскакувала сильна іскра, і накопичений електричний заряд миттєво зникав. Так стало можливо отримати короткочасний електричний струм. Потім банку треба було знову заряджати. Нині подібні прилади ми називаємо електричними конденсаторами.

Елемент Гальвані Луїджі Гальвані (1737-1798) - один із основоположників вчення про електрику, його досліди з «тваринною» електрикою започаткували новий науковий напрям - електрофізіологію. В результаті дослідів із жабами Гальвані припустив існування електрики всередині живих організмів. На честь нього названо гальванічний елемент – батарейка.

Вольтов стовп Алесандро Вольта (1745 – 1827) – італійський фізик, хімік та фізіолог, винахідник джерела постійного електричного струму. Його перше джерело струму - "вольтовий стовп". Вольта поклав один на одного поперемінно кілька десятків невеликих цинкових та срібних кружечків, проклавши між ними папір, змочений підсоленою водою.

Основні види джерел електричного струму Механічні Теплові Світлові Хімічні Термоелемент Фотоелемент Електрофорна машина Гальванічний елемент

Джерела струму тваринного походження

Електрика всередині живих організмів Багато рослин виникають струми ушкоджень. Зрізи листя, стебла завжди заряджені негативно по відношенню до нормальної тканини.

Тварини, що виробляють електричний струм Електричний скат (до 220 В) Американський сомік (до 360 В) Вугор (до 1200 В)

Фрукти та овочі, що виробляють електричний струм. Фрукти та овочі можна розділити на спочатку містять і придбані внутрішньолужний або кислотний баланс в процесі окислення. До перших відносяться цитрусові (лимон) та картопля. А до других, наприклад, солоний огірок і маринований помідор.

Атмосферна електрика Під час руху повітря повітряні потоки внаслідок зіткнення електризуються. Одна частина хмари (верхня) електризується позитивно, а інша (нижня) негативно. У момент, коли заряд хмари стане більшим, між двома його наелектризованими частинами проскакує потужна електрична іскра – блискавка.

Практична частина

Саморобні батарейки Для виготовлення саморобних батарейок нам знадобляться прилади та матеріали: Мідна пластинка Цинкова пластинка Лимон, огірок, сода, вода, монетки Вольтметр Сполучні дроти

Гальванічний елемент із лимону Виробляє електричний струм напругою

Гальванічний елемент першого солоного огірка Виробляє електричний струм напругою

Гальванічний елемент з другого та третього огірків

Батарея із двох солоних огірків Виробляє електричний струм напругою

Батарея із трьох солоних огірків Виробляє електричний струм напругою

Лампочка, включена в ланцюг із трьох солоних огірків Зібрали ланцюг Лампочка спалахнула

Содова батарея Виробляє електричний струм напругою

Содова батарея з двох та трьох елементів

Лампочка, включена в ланцюг трьох содових елементів Зібрали ланцюг Лампочка спалахнула

Солона батарея Виробляє електричний струм напругою

Заключение Для досягнення мети цієї роботи вирішив такі завдання: Розглянув основні види джерел електричного струму. 1. Механічні джерела струму 2. Теплові джерела струму 3. Світлові джерела струму 4. Хімічні джерела струму Вивчив принцип джерел струму. Виготовив деякі джерела своїми руками. 1. Гальванічний елемент із лимона. 2. Гальванічний елемент із солоного огірка. 3. Содову батарею. 4. Солону батарейку.

Бібліографія Абрамов С.С.. Велика енциклопедія Кирила та Міфодія. 2009 Вікіпедія – вільна енциклопедія. www. ru . Wikipedia. org. Джуліан Холанд. Велика ілюстрована енциклопедія ерудиту. "Махаон" 2001р; Карцев В.П. Пригоди великих рівнянь. М: Просвітництво, 2007

З курсу фізики всі знають, що під електричним струмом мають на увазі спрямований упорядкований рух частинок, що несуть заряд. Для отримання в провіднику утворюють електричне поле. Те саме необхідно для того, щоб продовжував існувати тривалий час електричний струм.

Джерела електричного струму можуть бути:

• статичними;
• хімічними;
• механічними;
• напівпровідникові.

У кожному їх виконується робота, де поділяються разнозаряженные частки, тобто створюється електричне полі джерела струму. Розділившись, вони накопичуються на полюсах, у місцях приєднання провідників. Коли полюси з'єднуються провідником, частинки із зарядом починають рух і утворюється електричний струм.

Джерела електричного струму: винахід електромашини

До середини сімнадцятого століття для отримання електричного струму потрібно чимало зусиль. У той самий час зростала кількість вчених, котрі займаються цим питанням. І ось Отто фон Геріке винайшов першу у світі електричну машину. В одному з експериментів із сіркою вона, розплавлена ​​всередині порожньої кулі зі скла, затверділа та розбила скло. Геріке зміцнив кулю так, щоб її можна було крутити. Обертаючи його і притискаючи шматок шкіри, він отримував іскру. помітно полегшило короткочасне одержання електрики. Але найважчі завдання вдалося вирішити лише за подальшого розвитку науки.

Проблема полягала в тому, що заряди Геріке швидко пропадали. Для збільшення тривалості заряду тіла поміщали в закриті судини (скляні пляшки), а матеріалом, що електризується, виступала вода з цвяхом. Експеримент оптимізували, коли пляшку з обох боків покривали провідним матеріалом (листами фольги, наприклад). В результаті зрозуміли, що можна було обійтися без води.

Жабічі лапки як джерело струму

Інший спосіб отримання електрики вперше відкрив Луїджі Гальвані. Будучи біологом, він працював у лабораторії, де експериментували з електрикою. Він бачив, як у мертвої жаби скорочувалася лапка при її збудженні іскрою від машини. Але одного разу той самий ефект був досягнутий випадково, коли вчений торкнувся її сталевим скальпелем.

Він почав шукати причин, звідки з'явився електричний струм. Джерела електричного струму, за його фінальним висновком, знаходилися в тканинах жаби.

Інший італієць, Алессандро Вольто, довів неспроможність «жабиної» природи виникнення струму. Було помічено, що найбільший струм виник при додаванні міді та цинку до розчину сірчаної кислоти. Така комбінація отримала назву гальванічного чи хімічного елемента.

Але використання такого засобу для отримання ЕРС стало б надто затратним. Тому вчені працювали над іншим, механічним способом видобутку електричної енергії.

Як влаштований звичайний генератор?

На початку ХІХ століття Г.Х. Ерстед виявив, що під час проходження струму через провідник виникало полі магнітного походження. А трохи згодом Фарадей відкрив, що при перетині силових ліній цього поля у провідник наводиться ЕРС, яка викликає струм. ЕРС змінюється в залежності від швидкості руху та самих провідників, а також від напруженості поля. При перетині ста мільйонів силових ліній за секунду наведена ЕРС ставала рівною одному Вольту. Зрозуміло, що ручне проведення магнітному полі неспроможна дати великий електричний струм. Джерела електричного струму цього виду набагато ефективніше показали себе з намотуванням дроту на велику котушку або виробництва її у формі барабана. Котушку насаджували на вал між магнітом і водою, що обертається, або парою. Таке механічне джерело струму властиве звичайним генераторам.

Великий Тесла

Геніальний вчений із Сербії Нікола Тесла, присвятивши своє життя електриці, зробив багато відкриттів, які ми використовуємо й сьогодні. Багатофазні електричні електричні мотори, передача енергії через багатофазний змінний струм - це не весь перелік винаходів великого вченого.

Багато хто впевнений, що явище в Сибіру, ​​яке отримало назву Тунгуський метеорит, насправді викликало саме Тесла. Але, напевно, одним із найзагадковіших винаходів є трансформатор, здатний отримувати напругу до п'ятнадцяти мільйонів вольт. Незвичайним є як його пристрій, так і розрахунки, що не піддаються відомим законам. Але на той час почали розвивати вакуумну техніку, у якій був неясностей. Тому про винахід вченого на якийсь час забули.

Але сьогодні, з появою теоретичної фізики, до його робіт знову поновився інтерес. Ефір визнали газом, на який поширюються усі закони газової механіки. Саме звідти черпав енергію великий Тесла. Варто зазначити, що ефірна теорія була дуже поширена у минулому серед багатьох вчених. Лише з виникненням СТО — спеціальної теорії відносності Ейнштейна, в якій він спростовував існування ефіру, про нього забули, хоча сформульована пізніше загальна теорія не заперечувала його як такого.

Але поки що зупинимося докладніше на електричному струмі та пристроях, які повсюдно поширені сьогодні.

Розвиток технічних пристроїв - джерел струму

Такі прилади служать для перетворення різної енергії на електричну. Незважаючи на те, що фізичні та хімічні способи отримання електричної енергії були відкриті давно, повсюдне поширення вони отримали лише з другої половини ХХ століття, коли почала бурхливо розвиватися радіоелектроніка. Початкові п'ять гальванічних пар поповнилися ще 25 типами. А теоретично гальванічних пар може налічуватися кілька тисяч, оскільки вільна енергія може бути реалізована на будь-якому окислювачі та відновнику.

Фізичні джерела струму

Фізичні джерела струму стали розвиватися трохи згодом. Сучасна техніка пред'являла все більш жорсткі вимоги, і промислові термо-і термоемісійні генератори успішно справлялися з зростаючими завданнями. Фізичні джерела струму - це пристрої, де теплова, електромагнітна, механічна та енергія радіаційного випромінювання та ядерного розпаду перетворюється на електричну. Крім вищезгаданих, до них також відносять електромашинні, МГД генератори, а також службовці для перетворення сонячного випромінювання та атомного розпаду.

Щоб електричний струм у провіднику не зникав, потрібне зовнішнє джерело для підтримки різниці потенціалів на кінцях провідника. Для цього є джерела енергії, у яких є деяка для створення і підтримки різниці потенціалів. ЕРС джерела електричного струму вимірюється роботою, що виконується при перенесенні плюсового заряду по всьому замкнутому ланцюзі.

Опір усередині джерела струму кількісно характеризує його, визначаючи величину втрат енергії під час проходження через джерело.

Потужність та коефіцієнт корисної дії дорівнюють відношенню напруги у зовнішньому електричному ланцюзі до ЕРС.

Хімічні джерела струму

Хімічний джерело струму в електричному ланцюзі ЕРС є пристроєм, де енергія хімічних реакцій перетворюється на електричну.

В його основу входять два електроди: негативно заряджений відновник та позитивно заряджений окислювач, які контактують з електролітом. Між електродами виникає різниця потенціалів, ЕРС.

У сучасних пристроях часто використовуються:

• як відновник - свинець, кадмій, цинк та інші;
• окислювача - гідроксид нікелю, оксид свинцю, марганцю та інші;
• електроліту - розчини з кислот, лугів або солей.

Широко використовують сухі елементи з цинку та марганцю. Береться судина з цинку (що має негативний електрод). Усередині поміщають позитивний електрод із сумішшю діоксиду марганцю з вугільним або графітовим порошком, яким скорочують опір. Електролітом виступає паста з нашатирю, крохмалю та інших складових.

Кислотний свинцевий акумулятор - це найчастіше вторинний хімічний джерело струму в електричному ланцюзі, що має високу потужність, стабільно працює і має невисоку вартість. Акумулятори подібного виду використовуються в різних областях. Їх часто віддають перевагу стартерним батареям, які особливо цінні для автомобілів, де вони взагалі є монополістами.

Інший поширений акумулятор складається із заліза (аноду), гідрату оксиду нікелю (катоду) та електроліту - водного розчину калію або натрію. Активний матеріал розташовують у сталевих нікельованих трубках.

Застосування цього виду знизилося після пожежі на заводі Едісона у 1914 році. Однак, якщо порівнювати характеристики першого та другого виду акумуляторів, то виявиться, що експлуатація залізо-нікелевого може бути в рази довше свинцево-кислотного.

Генератори постійного та змінного струму

Генераторами називаються пристрої, які спрямовані на перетворення механічної енергії на електричну.

Найпростіший генератор постійного струму можна уявити у вигляді рамки з провідника, яку помістили між магнітними полюсами, а кінці приєднали до ізольованих півкільців (колектора). Щоб пристрій працював, необхідно забезпечити обертання рамки колектором. Тоді в ній індукуватиметься електричний струм, що змінює свій напрямок під впливом магнітних силових ліній. У зовнішній ланцюг він йтиме в єдиному напрямку. Виходить, що колектор випрямлятиме змінний струм, який виробляється рамкою. Для досягнення постійного струму колектор виготовляють із тридцяти шести та більше пластин, а провідник складається з безлічі рамок у вигляді обмотки якоря.

Розглянемо, яке призначення джерела струму електричного ланцюга. Дізнаємось, які ще джерела струму існують.

струм, сила струму, джерело струму

Електричний ланцюг складається з джерела струму, який разом з іншими об'єктами створює шлях струму. А поняття ЕРС, струму і напруги розкривають електромагнітні процеси, що протікають при цьому.

Найпростіший електричний ланцюг складається з джерела струму (батареї, гальванічного елемента, генератора тощо), енергоспоживачів електричних двигунів та іншого), а також проводів, що з'єднують затискачі джерела напруги та споживача.

Електричний ланцюг має внутрішній (джерело електроенергії) та зовнішній (дроти, вимикачі та рубильники, прилади для вимірювання) частини.

Вона працюватиме і матиме позитивне значення лише в тому випадку, якщо забезпечено замкнутий ланцюг. Будь-який розрив стає причиною припинення протікання струму.

Електричний ланцюг складається з джерела струму у вигляді гальванічних елементів, електроакумуляторів, електромеханічних та фотоелементів тощо.

Як електричні приймачі виступають електричні двигуни, які перетворюють енергію в механічну, освітлювальні та нагрівальні прилади, електролізні установки і так далі.

Допоміжним обладнанням є апарати, що служать для включення та вимкнення, вимірювальні прилади та захисні механізми.

Усі компоненти поділяються на:

• активні (де електричний ланцюг складається з джерела струму ЕРС, електричних двигунів, акумуляторів тощо);
• пасивні (до яких належать електричні приймачі та сполучна проводка).

Ланцюг може бути також:

• лінійної, де опір елемента завжди характеризується прямою лінією;
• нелінійної, де опір залежить від напруги чи струму.

Ось найпростіша схема, де до ланцюга включено джерело струму, ключ, електрична лампа, реостат.

Незважаючи на широке поширення подібних технічних пристроїв, особливо останнім часом люди все більше задаються питаннями про встановлення альтернативних джерел енергії.

Різноманітність джерел електричної енергії

Які джерела електричного струму ще є? Це далеко не лише сонце, вітер, земля та припливи. Вони вже стали так званими офіційними альтернативними джерелами електроенергії.

Треба сказати, що альтернативних джерел існує безліч. Вони не поширені, тому що поки не є практичними та зручними. Але, хто знає, можливо, майбутнє буде саме за ними.

Отже, електричну енергію можна отримувати із солоної води. У Норвегії вже створено електростанцію, яка застосовує цю технологію.

Електричні станції можуть працювати також на паливних елементах із твердооксидним електролітом.

Відомі п'єзоелектричні генератори, що отримують енергію завдяки кінетичній енергії (вже існують з такою технологією пішохідні доріжки, поліцейські, що лежать, турнікети і навіть танцпідлоги).

Є і наногенератори, які спрямовані на перетворення енергії в тілі людини в електричну.

А що ви скажете про водорості, якими опалюють будинки, футбольні мечі, що генерують електричну енергію, велосипеди, здатні заряджати гаджети, і навіть дрібно нарізаний папір, що використовується як джерело струму?

Величезні перспективи, звісно, ​​належать освоєнню вулканічної енергії.

Все це є реаліями сьогодення, над якими трудяться вчені. Цілком можливо, що деякі з них вже незабаром стануть абсолютно звичним явищем, подібно до електрики в будинках сьогодні.

А може, хтось розкриє секрети вченого Миколи Тесла, і людство зможе легко отримувати електроенергію з ефіру?

У цій статті будуть описані методи отримання електричного струму, їх види, переваги та недоліки. Загалом джерела струму можна розділити на механічні, хімічні та інші фізичні перетворення.

Хімічні джерела струму

Хімічні джерела струму перетворюють хімічні реакції окислювача та відновника в ЕРС. Вперше хімічне джерело струму винайшло Алессандро Вольта у 1800 році. Згодом його винахід назвали "Елемент Вольта". Елементи вольта, з'єднані у вертикальну батарею, складають Вольтов стовп.

У 1859 році французьким фізиком Гстоном Планте було винайдено свинцево-кислотний акумулятор. Він складався із свинцевих пластин, поміщених у сірчану кислоту. Цей тип акумуляторів досі широко застосовується, наприклад, у автомобілях.

У 1965 році французький хімік Ж. Лекланше запропонував елемент, що складається з цинкового стаканчика з розчином хлористого амонію, який був поміщений агломерат оксиду марганцю з вугільним струмовідведенням. Цей елемент став прабатьком сучасних сольових батарейок.

Усі хімічні елементи мають основу 2 електрода. Один з них є окислювачем, а інший - відновником, обидва контактують з електролітом. Між електродами виникає ЕРС. На аноді відновник окислюється, електрони, пройшовши зовнішнім ланцюгом до катода, і беруть участь у реакції відновлення окислювача. Таким чином, потік електронів проходить по зовнішньому ланцюгу від негативного полюса, до позитивного. Як відновник використовуються свинець. кадмій, цинк та інші метали. Окислювачі-оксид свинцю, оксид марганцю, гідроксид нікелю та інші. Як електроліт - розчини лугів, кислот і солей.

Існують також паливні елементи, в яких окислювач і відновник подаються ззовні. Прикладом може послужити воднево-кисневий паливний елемент, який працює за тим же принципом як і електролізер, тільки навпаки - на обкладки подаються водень і кисень, і виробляється електроенергія при реакції їх з'єднання у воду.

Механічні джерела струму

До механічних джерел струму відносяться всі джерела, що перетворюють механічну енергію в електричну. Зазвичай використовуються не прямі перетворення, а за допомогою іншої енергії зазвичай магнітної. Так наприклад, в генераторах обертається магнітне поле - створене магнітами, або збуджене інакше, впливаючи на обмотки воно створює ЕРС.

Е.Х. Ленц ще 1833г виявив, що електродвигуни з постійними магнітами можуть виробляти електроенергію, якщо розкрутити ротор. У складі комісії з тестування електричного двигуна Якобі, він досвідченим шляхом довів оборотність електродвигуна. Пізніше було з'ясовано, що енергію, що виробляється генератором, можна використовувати для живлення власних електромагнітів.

Перший генератор був побудований в 1832 р. винахідниками з Парижа - братами Піксін. Генератор використовував постійний магніт, при обертанні якого в обмотках розташованих поруч утворювалася ЕРС. У 1843г Еміль Штерер також побудував генератор, що складається з 3х магнітів і 6 котушок. Усі перші генератори використовували постійні магніти. Надалі (1851-1867гг) застосовувалися електромагніти, що живляться вбудованим генератором на постійних магнітах. Таку машину створив Генрі Уальд у 1863р.

Також до механічних можна віднести не використовуваний, але все-таки існуючий спосіб, що використовує п'єзокераміку. П'єзовипромінювач також звернемо, і може виробляти енергію при механічному впливі.

Інші джерела струму

Найбільш застосовуваним зараз не механічним джерелом струму є сонячна батарея. Сонячна батарея здійснює пряме перетворення світла в електроенергію шляхом вибивання електронів в pn переході енергією фотона. Найчастіше використовуються фотоелементи на основі кремнію. Виробляють їх шляхом легування одного і того ж напівпровідника різними домішками, для створення np переходів.

Також у похідних умовах часто використовуються елементи Пельтьє. Елемент Пельтьє створює різницю температур під час протікання електричного струму. Зворотний ефект-ефект Зеєбека, що використовується для отримання електричного струму при додатку до елемента різниці температур. За рахунок застосування різних провідників температура кожного відрізняється, що призводить до перетікання електронів від гарячішого провідника до менш нагрітого.

Джерела струму,пристрої, що перетворюють різні види енергії на електричну. По виду перетворюваної енергії І. т. умовно можна поділити на хімічні та фізичні. Відомості про перші хімічні І. т. (гальванічні елементи та акумулятори) відносяться до 19 ст. (Наприклад, батарея Вольта, елемент Лекланше). Однак аж до 40-х років. 20 ст. у світі було розроблено та реалізовано у конструкціях не більше 5 типів гальванічних пар. З середини 40-х років. внаслідок розвитку радіоелектроніки та широкого використання автономних І. т. створено ще близько 25 типів гальванічних пар. Теоретично в І. т. може бути реалізована вільна енергія хімічних реакції практично будь-якого окислювача та відновника, а отже, можлива реалізація кількох тисяч гальванічних пар. Принципи роботи більшості фізичних І. т. були відомі вже у 19 ст. Надалі внаслідок швидкого розвитку та вдосконаленнятурбогенератори та гідрогенератори стали основними промисловими джерелами електроенергії. Фізичні І. т., засновані на інших засадах, набули промислового розвитку лише в 50-60-х pp. 20 ст., що обумовлено зрослими та досить специфічними вимогами сучасної техніки. У 60-х роках. технічно розвинені країни вже мали промислові зразки термогенераторів, термоемісійних генераторів (СРСР, ФРН, США), атомних батарей.

Хімічними джерелами струмуприйнято називати пристрої, які виробляють електричний струм рахунок енергії окислювально-відновних реакцій хімічних реагентів. Відповідно до експлуатаційної схеми та здатності віддавати енергію в електричну мережу хімічні І. т. поділяються на первинні, вторинні та резервні, а також електрохімічні генератори.

Фізичними джерелами струмуназивають пристрої, що перетворюють теплову, механічну, електромагнітну енергію, а також енергію радіаційного випромінювання та ядерного розпаду на електричну. Відповідно до найчастіше вживаної класифікації до фізичних І. т. відносять: електромашинні генератори, термоелектричні генератори, термоемісійні перетворювачі, МГД-генератори, а також генератори, що перетворюють енергію сонячного випромінювання та атомного розпаду

Для підтримки електричного струму у провіднику необхідне якесь зовнішнє джерело енергії, яке весь час підтримувало б різницю потенціалів на кінцях цього провідника.
Такими джерелами енергії є так звані джерела електричного струму, що володіють певною електрорушійною силою, яка створює і тривалий час підтримує різницю потенціалів на кінцях провідника.

Чисельно електрорушійна сила вимірюється роботою, що здійснюється джерелом електричної енергії при перенесенні одиничного позитивного заряду по всьому замкнутому ланцюзі.

Якщо джерело енергії, здійснюючи роботу A, забезпечує перенесення по всьому замкнутому ланцюгу заряду q, то його електрорушійна сила (Е) дорівнюватиме

Внутрішній опір джерела струму- кількісна характеристика джерела струму, що визначає величину енергетичних втрат під час проходження через джерело електричного струму.
Внутрішній опір має розмірність опору та вимірюється в Омах.
При проходженні електричного струму через джерело відбуваються самі процеси дисипації енергії, і за проходження через опір навантаження. Завдяки цим процесам напруга на клемах джерела струму не дорівнює електрорушійній силі, а залежить від величини струму, а отже, від навантаження. При невеликих значеннях сили струму ця лінійна залежність і її можна представити у вигляді

8) Потужність та ККД джерела дорівнює відношенню напруги у зовнішньому ланцюзі до величини ЕРС. Електрична потужність- фізична величина, що характеризує швидкість передачі чи перетворення електричної енергії. Корисна потужність змінюється залежно від зовнішнього опору складнішим чином. Справді, Pкорисн=0 при крайніх значеннях зовнішнього опору: R=0 і R®¥. Таким чином, максимум корисної потужності має припадати на проміжні значення зовнішнього опору.

9) Хімічний джерело струму (Аббр. ХІТ) - джерело ЕРС, в якому енергія хімічних реакцій, що протікають у ньому, безпосередньо перетворюється на електричну енергію.

Принцип дії: Основу хімічних джерел струму складають два електроди (негативно заряджений анод, що містить відновник, і позитивно заряджений катод, що містить окислювач), що контактують з електролітом. Між електродами встановлюється різниця потенціалів - електрорушійна сила, що відповідає вільній енергії окислювально-відновної реакції. Дія хімічних джерел струму заснована на протіканні при замкнутому зовнішньому ланцюгу просторово-розділених процесів: на негативному аноді відновник окислюється, вільні електрони, що утворюються, переходять по зовнішньому ланцюгу до позитивного катода, створюючи розрядний струм, де вони беруть участь у реакції відновлення окислювача. Таким чином, потік негативно заряджених електронів зовнішнього ланцюга йде від анода до катода, тобто від негативного електрода (негативного полюса хімічного джерела струму) до позитивного. Це відповідає протіканню електричного струму у напрямку від позитивного полюса до негативного, оскільки напрям струму збігається з напрямом руху позитивних зарядів у провіднику.

У сучасних хімічних джерелах струму використовуються:

· як відновник (матеріал анода) - свинець Pb, кадмій Cd, цинк Zn та інші метали;

· як окислювач (матеріал катода) - оксид свинцю(IV) PbO 2 , гідроксооксид нікелю NiOOH, оксид марганцю(IV) MnO 2 та інші;

· Як електроліт - розчини лугів, кислот або солей.

2) Широкого поширення набули марганцово-цинкові (МЦ) сухі елементи з деполяризатором з діоксиду марганцю.
Сухий елемент стаканчикового типу (рис. 3) має цинкову посудину прямокутної або циліндричної форми, що є негативним електродом. Усередині нього вміщено позитивний електрод у вигляді вугільної
палички або пластинки, яка знаходиться в мішку, наповненому сумішшю марганцю діоксиду з порошком вугілля або графіту. Вугілля або графіт додають зменшення опору. Вугільний стрижень та мішок з деполяризуючою масою називають агломератом. Як електроліт використовується паста, складена з нашатирю (NH4Cl), крохмалю та деяких інших речовин. У стаканчикових елементів центральний висновок є позитивним полюсом.

Кислотні свинцеві акумулятори є найбільш поширеними серед вторинних хімічних джерел струму, маючи порівняно високу потужність у поєднанні з надійністю та відносно низькою вартістю. Ці акумулятори знаходять різноманітне практичне застосування. Своєю популярністю та широким масштабом виробництва вони завдячують стартерним батареям, призначеним для різних засобів пересування та насамперед автомобілів. У цій галузі їхнє монопольне становище стійке і зберігається довгий час. На базі свинцевих акумуляторів комплектується переважна більшість стаціонарних та значна частина вагонних батарей. Успішно конкурують із лужними тяговими свинцевими акумуляторами.

лезо-нікелевий акумулятор- це вторинний хімічний джерело струму, в якому залізо - анод, електролітом є водний розчин гідроксиду натрію або калію (з добавками гідроксиду літію), катод - гідрат оксиду нікелю(III).

Активний матеріал міститься в сталевих нікельованих трубках або перфорованих кишенях. З точки зору вартості та питомої енергоємності, вони близькі до літій-іонних акумуляторів, а з точки зору саморозряду, ефективності та напруги – до NiMH акумуляторів. Це досить витривалі акумулятори, стійкі до грубого поводження (перезаряд, глибокий розряд, коротке замикання та термічні удари) і дуже довгий термін служби.

Їх використання стало знижуватися з моменту зупинки виробництва через пожежу на заводі/лабораторії Едісона в 1914 році, через погані показники роботи батарей при низьких температурах, поганого утримання заряду і вифсокой вартості виробництва, порівнянної з кращими герметизованими свинцево-кислотними ак1 /2 вартості NiMH акумуляторів. Однак через зростання вартості свинцю в останні роки, через що ціна свинцевих акумуляторів значно піднялася, ціни практично зрівнялися.

При порівнянні акумуляторів зі свинцево-кислотними слід пам'ятати, що допустимий експлуатаційний розряд свинцево-кислотного акумулятора в рази менше, ніж повна теоретична ємність, а залізонікелевого - дуже близький до неї. Тому реальна експлуатаційна ємність залізонікелевого акумулятора, за рівної теоретичної повної ємності, може бути в рази (залежно від режиму) більшою, ніж у свинцево-кислотного.

10) Електротехнічні генератори постійного та змінного струму.

Машини, що перетворюють механічну енергію на електричну, називаються генераторами.
Найпростіший генератор постійного струму (рис. 1) є поміщену між полюсами магніту рамку з провідника, кінці якого приєднані до ізольованих півкільців, званим пластинами колектора. До півкільців (колектора) притискаються позитивна та негативна щітки, які замикаються зовнішнім ланцюгом через електричну лампочку. Для роботи генератора рамку провідника із колектором необхідно обертати. Відповідно до правила правої руки при обертанні рамки провідника з колектором в ній індукуватиметься електричний струм, що змінює свій напрям через кожні півоберта, так як магнітні силові лінії кожною стороною рамки будуть перетинатися то про один, то в іншому напрямку. Разом з цим через кожні півоберта змінюється контакт кінців провідника рамки та напівкілець колектора зі щітками генератора. У зовнішній ланцюг струм йтиме в одному напрямку, змінюючись тільки за величиною від 0 до максимуму. Таким чином, колектор у генераторі служить для випрямлення змінного струму, що виробляється рамкою. Для того щоб електричний струм був постійним не тільки за напрямом, але й за величиною (за величиною - приблизно постійним), колектор роблять з багатьох (36 і більше) пластин, а провідник є багато рамок або секцій, виконаних у вигляді обмотки якоря .

Мал. 1. Схема найпростішого генератора постійного струму: 1 - півкільце або колекторна пластина; I – рама провідника; 3 - щітка генератора

Принципове влаштування найпростішого генератора змінного струму показано на рис. 4. У цьому генераторі кінці рамки провідника приєднуються кожен до свого кільця, а до кільця притискаються щітки генератора. Щітки замикаються зовнішнім ланцюгом через електричну лампочку. При обертанні рамки з кільцями в магнітному полі генератор дасть змінний струм, що змінює через кожні півоберта величину та напрямок. Такий змінний струм називається однофазним. У техніці застосовуються генератори трьох-