Dòng điện trong vật dẫn phát sinh dưới tác dụng của điện trường, buộc các hạt mang điện tự do chuyển động có hướng. Tạo ra một dòng điện hạt là một vấn đề nghiêm trọng. Để tạo ra một thiết bị như vậy sẽ duy trì sự khác biệt tiềm ẩn của trường trong một thời gian dài ở một trạng thái là một nhiệm vụ mà nhân loại chỉ có thể giải quyết vào cuối thế kỷ 18.
Lần thử đầu tiên
Những nỗ lực đầu tiên nhằm "tích lũy điện" để nghiên cứu và sử dụng thêm nó đã được thực hiện ở Hà Lan. Người Đức Ewald Jurgen von Kleist và người Hà Lan Peter van Muschenbrook, người đã tiến hành nghiên cứu của họ ở thị trấn Leiden, đã tạo ra tụ điện đầu tiên trên thế giới, sau này được gọi là "lọ Leyden".
Sự tích tụ điện tích đã diễn ra dưới tác dụng của ma sát cơ học. Có thể sử dụng phóng điện qua dây dẫn trong một khoảng thời gian nhất định, khá ngắn.
Chiến thắng của trí óc con người trước một vật chất phù du như điện hóa ra đã trở thành một cuộc cách mạng.
Thật không may, phóng điện (dòng điện do tụ điện tạo ra)kéo dài quá ngắn nên nó không thể tạo ra dòng điện một chiều. Ngoài ra, điện áp do tụ điện cung cấp bị giảm dần dẫn đến không thể nhận được dòng điện liên tục.
Lẽ ra tôi phải tìm cách khác.
Nguồn đầu tiên
Thí nghiệm "điện động vật" của Galvani người Ý là một nỗ lực ban đầu nhằm tìm kiếm một nguồn dòng điện tự nhiên trong tự nhiên. Treo chân của những con ếch đã mổ xẻ trên móc kim loại của một mạng lưới sắt, anh ấy thu hút sự chú ý đến phản ứng đặc trưng của các đầu dây thần kinh.
Tuy nhiên, một người Ý khác, Alessandro Volta, đã bác bỏ kết luận của Galvani. Quan tâm đến khả năng thu được điện từ các sinh vật động vật, ông đã tiến hành một loạt thí nghiệm với ếch. Nhưng kết luận của ông ấy lại hoàn toàn trái ngược với các giả thuyết trước đó.
Volta đã thu hút sự chú ý của thực tế rằng một cơ thể sống chỉ là một chỉ số của sự phóng điện. Khi dòng điện chạy qua, các cơ của chân co lại, cho thấy có sự chênh lệch tiềm năng. Nguồn của điện trường là sự tiếp xúc của các kim loại khác nhau. Các nguyên tố hóa học càng cách xa nhau thì ảnh hưởng càng lớn.
Đĩa bằng các kim loại khác nhau, đặt trên đĩa giấy ngâm trong dung dịch điện phân, tạo ra hiệu điện thế cần thiết trong một thời gian dài. Và hãy để nó ở mức thấp (1,1 V), nhưng dòng điện có thể được khảo sát trong một thời gian dài. Điều chính là điện áp vẫn không thay đổi trong thời gian dài.
Chuyện gì đang xảy ra
Tại sao các nguồn được gọi là "tế bào galvanic" lại gây ra hiệu ứng như vậy?
Hai điện cực kim loại đặt trong chất điện môi đóng vai trò khác nhau. Một cung cấp các electron, còn lại tiếp nhận chúng. Quá trình phản ứng oxy hóa khử dẫn đến sự xuất hiện của sự dư thừa electron trên một điện cực, được gọi là cực âm và sự thiếu hụt ở điện cực thứ hai, chúng ta sẽ ký hiệu nó là cực dương của nguồn.
Trong các tế bào mạ đơn giản nhất, phản ứng oxy hóa xảy ra trên một điện cực và phản ứng khử xảy ra trên điện cực kia. Các êlectron đến các điện cực từ bên ngoài mạch. Chất điện phân là vật dẫn dòng điện của các ion bên trong nguồn. Sức đề kháng chi phối thời gian của quá trình.
Nguyên tố đồng-kẽm
Nguyên tắc hoạt động của các tế bào galvanic rất thú vị khi xem xét bằng cách sử dụng ví dụ về tế bào galvanic đồng-kẽm, hoạt động của nó là do năng lượng của kẽm và đồng sunfat. Trong nguồn này, một tấm đồng được đặt trong dung dịch đồng sunfat, và một điện cực kẽm được nhúng vào dung dịch kẽm sunfat. Các dung dịch được ngăn cách bằng một miếng đệm xốp để tránh trộn lẫn nhưng phải tiếp xúc với nhau.
Nếu đóng mạch, lớp kẽm trên bề mặt bị oxi hóa. Trong quá trình tương tác với chất lỏng, các nguyên tử kẽm đã biến thành ion xuất hiện trong dung dịch. Các electron được giải phóng trên điện cực, có thể tham gia vào quá trình tạo ra dòng điện.
Đến điện cực đồng, các electron tham gia phản ứng khử. Từdung dịch, các ion đồng xâm nhập vào lớp bề mặt, trong quá trình khử chúng chuyển thành nguyên tử đồng, lắng đọng trên tấm đồng.
Tóm lại những gì đang xảy ra: quá trình hoạt động của một tế bào điện có kèm theo sự chuyển các electron từ chất khử sang chất oxi hóa dọc theo phần ngoài của mạch. Các phản ứng diễn ra trên cả hai điện cực. Dòng ion chạy bên trong nguồn.
Khó khăn khi sử dụng
Về nguyên tắc, bất kỳ phản ứng oxy hóa khử nào có thể được sử dụng trong pin. Nhưng không có nhiều chất có khả năng hoạt động trong các nguyên tố có giá trị về mặt kỹ thuật. Hơn nữa, nhiều phản ứng đòi hỏi các chất đắt tiền.
Pin hiện đại có cấu tạo đơn giản hơn. Hai điện cực đặt trong một bình điện phân làm đầy bình - hộp đựng pin. Các đặc điểm thiết kế như vậy giúp đơn giản hóa cấu trúc và giảm chi phí pin.
Bất kỳ tế bào mạ nào cũng có khả năng tạo ra dòng điện một chiều.
Điện trở của dòng điện không cho phép tất cả các ion có mặt trên các điện cực cùng một lúc, vì vậy phần tử hoạt động trong một thời gian dài. Các phản ứng hóa học tạo thành ion sớm hay muộn cũng dừng lại, nguyên tố bị thải ra ngoài.
Điện trở bên trong của nguồn hiện tại là quan trọng.
Một chút về sức đề kháng
Việc sử dụng dòng điện, không còn nghi ngờ gì nữa, đã đưa tiến bộ khoa học và công nghệ lên một tầm cao mới, đã tạo cho ông một sức bật khổng lồ. Nhưng lực cản đối với dòng điện lại cản trở sự phát triển đó.
Một mặt, dòng điện có những đặc tính vô giá được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày và công nghệ, mặt khác, lại có sự phản đối đáng kể. Vật lý, với tư cách là một môn khoa học về tự nhiên, cố gắng tạo ra sự cân bằng, để đưa những hoàn cảnh này trở nên phù hợp.
Dòng điện trở xuất hiện do sự tương tác của các hạt mang điện với chất mà chúng chuyển động. Không thể loại trừ quá trình này trong điều kiện nhiệt độ bình thường.
Kháng
Điện trở bên trong của nguồn dòng và điện trở của phần bên ngoài của mạch có bản chất hơi khác nhau, nhưng giống nhau trong các quá trình này là công được thực hiện để di chuyển điện tích.
Bản thân công việc chỉ phụ thuộc vào các đặc tính của nguồn và nội dung của nó: chất lượng của các điện cực và chất điện phân, cũng như đối với các bộ phận bên ngoài của mạch, điện trở của chúng phụ thuộc vào các thông số hình học và hóa học. đặc điểm của vật liệu. Ví dụ, điện trở của một dây kim loại tăng khi chiều dài của nó tăng lên và giảm khi diện tích mặt cắt ngang mở rộng. Khi giải quyết vấn đề làm thế nào để giảm điện trở, vật lý khuyên bạn nên sử dụng các vật liệu chuyên dụng.
Công việc hiện tại
Theo định luật Joule-Lenz, nhiệt lượng tỏa ra trong vật dẫn tỷ lệ thuận với điện trở. Nếu chúng ta chỉ định lượng nhiệt là Qint., cường độ của dòng điện I, thời gian của dòng chảy t, thì chúng ta nhận được:
Qint=I2 · r t,
trong đó r là nội trở của nguồnhiện tại.
Trong toàn bộ mạch điện, bao gồm cả phần bên trong và phần bên ngoài của nó, tổng nhiệt lượng sẽ tỏa ra, công thức của nó là:
Qfull=I2 · r t + I2 R t=I2 (r + R) t,
Người ta đã biết điện trở được biểu thị như thế nào trong vật lý: mạch ngoài (tất cả các phần tử trừ nguồn) có điện trở R.
Định luật Ôm cho một đoạn mạch hoàn chỉnh
Lưu ý rằng công việc chính được thực hiện bởi ngoại lực bên trong nguồn hiện tại. Giá trị của nó bằng tích của điện tích do trường mang theo và suất điện động của nguồn:
q E=I2 (r + R) t.
nhận ra rằng điện tích bằng tích của cường độ hiện tại và thời gian của dòng chảy của nó, chúng ta có:
E=I (r + R)
Theo mối quan hệ nhân - quả, định luật Ôm có dạng:
I=E: (r + R)
Cường độ dòng điện trong mạch kín tỷ lệ thuận với EMF của nguồn dòng và tỷ lệ nghịch với tổng (tổng) điện trở của mạch.
Dựa trên mẫu này, có thể xác định nội trở của nguồn hiện tại.
Công suất xả nguồn
Khả năng phóng điện cũng có thể được quy cho các đặc điểm chính của nguồn. Lượng điện tối đa có thể thu được khi hoạt động trong một số điều kiện nhất định phụ thuộc vào cường độ của dòng phóng điện.
Trong trường hợp lý tưởng, khi thực hiện một số giá trị gần đúng nhất định, công suất phóng điện có thể được coi là không đổi.
KVí dụ, một pin tiêu chuẩn có hiệu điện thế 1,5 V có dung lượng xả là 0,5 Ah. Nếu dòng phóng là 100mA thì nó hoạt động trong 5 giờ.
Phương pháp sạc pin
Khai thác pin dẫn đến phóng điện. Việc khôi phục pin, sạc các ô nhỏ được thực hiện bằng dòng điện có giá trị cường độ không vượt quá 1/10 công suất nguồn.
Có các phương thức tính phí sau:
- sử dụng dòng điện không đổi trong một thời gian nhất định (khoảng 16 giờ dung lượng pin 0,1 hiện tại);
- sạc với dòng điện giảm dần đến giá trị chênh lệch tiềm năng xác định trước;
- sử dụng dòng điện không cân bằng;
- áp dụng liên tiếp các xung sạc và xả ngắn, trong đó thời gian của lần đầu tiên vượt quá thời gian của lần thứ hai.
Làm việc thực tế
Nhiệm vụ được đề xuất: xác định nội trở của nguồn hiện tại và EMF.
Để thực hiện nó, bạn cần có nguồn hiện tại, một ampe kế, một vôn kế, một biến trở thanh trượt, một chìa khóa, một bộ dây dẫn.
Sử dụng định luật Ôm cho mạch điện kín sẽ xác định được điện trở trong của nguồn dòng. Để làm được điều này, bạn cần biết EMF của nó, giá trị của sức đề kháng của bộ lưu biến.
Công thức tính cường độ dòng điện ở phần ngoài của đoạn mạch có thể được xác định từ định luật Ôm đối với đoạn mạch:
I=Ư: R,
trong đó I là cường độ dòng điện ở phần ngoài của đoạn mạch, được đo bằng ampe kế; U - điện áp bên ngoàikháng chiến.
Để cải thiện độ chính xác, các phép đo được thực hiện ít nhất 5 lần. Nó dùng để làm gì? Điện áp, điện trở, dòng điện (hay đúng hơn là cường độ dòng điện) đo được trong quá trình thử nghiệm được sử dụng bên dưới.
Để xác định EMF của nguồn hiện tại, chúng tôi sử dụng thực tế là điện áp tại các đầu nối của nó với phím mở gần như bằng EMF.
Hãy ráp một mạch điện từ pin, biến trở, ampe kế, chìa khóa mắc nối tiếp. Chúng tôi kết nối một vôn kế với các đầu cuối của nguồn hiện tại. Sau khi mở chìa khóa, chúng tôi sẽ đọc các bài đọc của nó.
Điện trở bên trong, công thức thu được từ định luật Ohm cho một mạch hoàn chỉnh, được xác định bằng các phép tính toán học:
- I=E: (r + R).
- r=E: I - U: I.
Các phép đo cho thấy điện trở bên trong nhỏ hơn nhiều so với điện trở bên ngoài.
Chức năng thực tế của pin sạc và pin được sử dụng rộng rãi. Sự an toàn với môi trường không thể chối cãi của động cơ điện là không thể nghi ngờ, nhưng việc tạo ra một loại pin dung lượng lớn, tiện dụng là một vấn đề của vật lý hiện đại. Giải pháp của nó sẽ dẫn đến một vòng mới trong sự phát triển của công nghệ ô tô.
Pin nhỏ, nhẹ, dung lượng cao cũng rất cần thiết trong các thiết bị điện tử di động. Lượng năng lượng được sử dụng trong chúng liên quan trực tiếp đến hiệu suất của các thiết bị.
