Электрический ток в проводнике возникает под воздействием электрического поля, заставляющего свободные заряженные частицы приходить в направленное движение. Создание тока частиц – серьезная проблема. Соорудить такое устройство, которое будет поддерживать разность потенциалов поля длительное время в одном состоянии – задача, решение которой оказалось под силу человечеству только к концу XVIII века.
Первые попытки
Первые попытки «накопить электричество» для дальнейшего его исследования и использования были предприняты в Голландии. Немец Эвальд Юрген фон Клейст и голландец Питер ван Мушенбрук, проводившие свои исследования в городке Лейден, создали первый в мире конденсатор, названный позже «лейденской банкой».
Накопление электрического заряда уже проходило под действием механического трения. Использовать разряд через проводник можно было в течение некоторого, достаточно короткого, промежутка времени.
Победа человеческого разума над такой эфемерной субстанцией, как электричество, оказалась революционной.
К сожалению, разряд (электрический ток, создаваемый конденсатором) длился настолько коротко, что создать постоянный ток не мог. Кроме того, напряжение, даваемое конденсатором, постепенно понижается, что не оставляет возможности получать длительный ток.
Нужно было искать иной способ.
Первый источник
Эксперименты итальянца Гальвани по исследованию «животного электричества» были оригинальной попыткой найти естественный источник тока в природе. Развешивая лапки препарированных лягушек на металлических крючках железной решетки, он обратил внимание на характерную реакцию нервных окончаний.
Однако выводы Гальвани опроверг другой итальянец - Алессандро Вольта. Заинтересовавшись возможностью получения электричества из организмов животных, он провел серию экспериментов с лягушками. Но вывод его оказался полной противоположностью предыдущим гипотезам.
Вольта обратил внимание, что живой организм является лишь индикатором электрического разряда. При прохождении тока мышцы лапок сокращаются, указывая на разность потенциалов. Источником электрического поля оказался контакт разнородных металлов. Чем дальше друг от друга они находятся в ряду химических элементов, тем значительнее эффект.
Пластины из разнородных металлов, проложенные бумажными дисками, пропитанными раствором электролита, создавали длительное время необходимую разность потенциалов. И пусть она была невысока (1,1 В), но электрический ток можно было исследовать долгое время. Главное, что напряжение сохранялось неизменным так же долго.
Что происходит
Почему в источниках, получивших название «гальванических элементов», вызывается такой эффект?
Два металлических электрода, помещенных в диэлектрик, играют разные роли. Один поставляет электроны, другой их принимает. Процесс окислительно-восстановительной реакции приводит к появлению избытка электронов на одном электроде, который называют отрицательным полюсом, и недостатка на втором, обозначим его как положительный полюс источника.
В самых простых гальванических элементах окислительные реакции происходят на одном электроде, восстановительные – на другом. Электроны приходят на электроды из внешней части цепи. Электролит является проводником тока ионов внутри источника. Сила сопротивления руководит длительностью процесса.
Медно-цинковый элемент
Принцип действия гальванических элементов интересно рассмотреть на примере медно-цинкового гальванического элемента, действие которого идет в счет энергии цинка и сульфата меди. В этом источнике пластина из меди помещена в раствор сульфата меди, а цинковый электрод погружен в раствор сульфата цинка. Растворы разделены пористой прокладкой во избежание смешивания, но обязательно соприкасаются.
Если цепь замкнута, поверхностный слой цинка окисляется. В процессе взаимодействия с жидкостью атомы цинка, превратившись в ионы, появляются в растворе. На электроде высвобождаются электроны, которые могут принимать участие в образовании тока.
Попадая на медный электрод, электроны принимают участие в восстановительной реакции. Из раствора на поверхностный слой поступают ионы меди, в процессе восстановления они превращаются в атомы меди, осаждаясь на медной пластине.
Суммируем происходящее: процесс работы гальванического элемента сопровождается переходом электронов восстановителя к окислителю по внешней части цепи. Реакции идут на обоих электродах. Внутри источника протекает ионный ток.
Сложности использования
В принципе, любая из возможных окислительно-восстановительных реакций может быть использована в батареях. Но веществ, способных работать в ценных технически элементах, не так уж и много. Более того, многие реакции требуют затрат дорогостоящих веществ.
Современные аккумуляторные батареи имеют более простое строение. Два электрода, помещенные в один электролит, заполняют сосуд – корпус батареи. Такие конструктивные особенности упрощают строение и удешевляют аккумуляторы.
Любой гальванический элемент способен создавать постоянный ток.
Сопротивление тока не позволяет всем ионам одновременно оказаться на электродах, поэтому элемент работает достаточно долго. Химические реакции образования ионов рано или поздно прекращаются, элемент разряжается.
Внутреннее сопротивление источника тока имеет большое значение.
Немного о сопротивлении
Использование электрического тока, бесспорно, вывело научно-технический прогресс на новую ступень, дало ему гигантский толчок. Но сила сопротивления протеканию тока становится на пути такого развития.
С одной стороны, электрический ток обладает бесценными свойствами, используемыми в быту и технике, с другой – имеется значительное противодействие. Физика как наука о природе пытается установить баланс, привести в соответствие эти обстоятельства.
Сопротивление тока возникает вследствие взаимодействия электрически заряженных частиц с веществом, по которому они движутся. Исключить этот процесс в нормальных температурных условиях невозможно.
Сопротивление
Внутреннее сопротивление источника тока и противодействие внешней части цепи имеют несколько различную природу, но одинаковым в этих процессах является совершение работы по перемещению заряда.
Сама работа зависит только от свойств источника и его наполнения: качеств электродов и электролита, так же как для внешних частей цепи, сопротивление которых зависит от геометрических параметров и химических характеристик материала. К примеру, сопротивление металлического провода возрастает с увеличением его длины и уменьшается при расширении площади сечения. При решении задачи, как уменьшить сопротивление, физика рекомендует использовать специализированные материалы.
Работа тока
В соответствии с законом Джоуля-Ленца в проводниках выделяется количество теплоты, пропорциональное сопротивлению. Если количество теплоты обозначить Qвнут., силу тока I, время его протекания t, то получим:
- Qвнут. = I2 · r · t,
где r – внутреннее сопротивление источника тока.
Во всей цепи, включающей как внутреннюю, так и внешнюю ее части, выделится полное количество теплоты, формула которого имеет вид:
- Qполное = I2 · r · t + I2 · R · t = I2 · (r +R) ·t,
Известно, как обозначается сопротивление в физике: внешняя цепь (все элементы, кроме источника) имеет сопротивление R.
Закон Ома для полной цепи
Учтем, что основную работу совершают сторонние силы внутри источника тока. Ее величина равна произведению заряда, переносимого полем, и электродвижущей силы источника:
- q · E = I2 · (r + R) · t.
понимая, что заряд равен произведению силы тока на время его протекания, имеем:
- E = I · (r + R).
В соответствии с причинно-следственными связями закон Ома имеет вид:
- I = E : (r + R).
Сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна общему (полному) сопротивлению цепи.
Опираясь на эту закономерность, можно определить и внутреннее сопротивление источника тока.
Разрядная емкость источника
К основным характеристикам источников можно отнести и разрядную емкость. Максимальное количество электричества, получаемое при эксплуатации в определенных условиях, зависит от силы тока разряда.
В идеальном случае, когда выполняются определенные приближения, разрядную емкость можно считать постоянной.
К примеру, стандартная батарейка разности потенциалов 1,5 В обладает разрядной емкостью 0,5 А·ч. Если ток разрядки 100 мА, то работает в течение 5 часов.
Способы зарядки батарей
Эксплуатация батарей приводит к их разрядке. Восстановление аккумуляторов, зарядка малогабаритных элементов осуществляется при помощи тока, значение силы которого не превышает одной десятой емкости источника.
Предлагаются следующие способы зарядки:
- использование неизменного тока в течение заданного времени (порядка 16 часов током 0,1 емкости аккумулятора);
- зарядка понижающим током до заданного значения разности потенциалов;
- использование несимметричных токов;
- последовательное применение кратких импульсов зарядки и разрядки, при которых время первой превышает время второй.
Практическая работа
Предлагается задание: определить внутреннее сопротивление источника тока и ЭДС.
Для его выполнения необходимо запастись источником тока, амперметром, вольтметром, ползунковым реостатом, ключом, набором проводников.
Использование закона Ома для замкнутой цепи позволит определить внутреннее сопротивление источника тока. Для этого необходимо знать его ЭДС, величину сопротивления реостата.
Расчетная формула сопротивления тока во внешней части цепи может быть определена из закона Ома для участка цепи:
- I = U : R,
где I – сила тока во внешней части цепи, измеряется амперметром; U – напряжение на внешнем сопротивлении.
Для повышения точности измерения делаются не менее 5 раз. Для чего это нужно? Измеренные в ходе эксперимента напряжение, сопротивление, ток (вернее, сила тока) используются далее.
Чтобы определить ЭДС источника тока, воспользуемся тем, что напряжение на его клеммах при разомкнутом ключе практически равно ЭДС.
Соберем цепь из последовательно включенных батареи, реостата, амперметра, ключа. К клеммам источника тока подключаем вольтметр. Разомкнув ключ, снимаем его показания.
Внутреннее сопротивление, формула которого получена из закона Ома для полной цепи, определим математическими расчетами:
- I = E : (r + R).
- r = E : I – U : I.
Измерения показывают, что внутреннее сопротивление бывает значительно меньше внешнего.
Практическая функция аккумуляторов и батарей находит широкое применение. Бесспорная экологическая безопасность электродвигателей не подлежит сомнению, но создать емкий, эргономичный аккумулятор – проблема современной физики. Ее решение приведет к новому витку развития автомобильной техники.
Малогабаритные, легкие, емкие аккумуляторные батареи также крайне необходимы в мобильных электронных устройствах. Запас энергии, применяемой в них, напрямую связан с работоспособностью устройств.
