Өткізгіштегі электр тогы электр өрісінің әсерінен пайда болып, бос зарядталған бөлшектерді бағытталған қозғалысқа мәжбүрлейді. Бөлшектердің тогын жасау күрделі мәселе болып табылады. Бір күйде кен орнының потенциалдық айырмашылығын ұзақ уақыт сақтайтын мұндай құрылғыны жасау – адамзат 18 ғасырдың аяғында ғана шеше алатын міндет.
Алғашқы әрекеттер
Оны әрі қарай зерттеу және пайдалану үшін «электр қуатын жинақтаудың» алғашқы әрекеттері Голландияда жасалды. Лейден қаласында өз зерттеулерін жүргізген неміс Эвальд Юрген фон Клейст пен голландиялық Питер ван Мушенбрук кейінірек «Лейден құмырасы» деп аталатын әлемдегі алғашқы конденсаторды жасады.
Электр зарядының жинақталуы механикалық үйкелістің әсерінен орын алған. Өткізгіш арқылы разрядты белгілі бір, өте қысқа уақыт аралығында пайдалануға болады.
Адам санасының электр тогы сияқты уақытша субстанцияны жеңуі революциялық болып шықты.
Өкінішке орай, разряд (конденсатор тудыратын электр тогы)ұзаққа созылғаны сонша, ол тұрақты ток жасай алмады. Сонымен қатар, конденсатордан берілетін кернеу бірте-бірте азаяды, бұл үздіксіз токты қабылдауды мүмкін емес етеді.
Мен басқа жол іздеуім керек еді.
Бірінші дереккөз
Итальяндық Гальванидің «жануарлар электр тогы» эксперименттері табиғаттағы токтың табиғи көзін табудың бастапқы әрекеті болды. Бөлінген бақалардың аяқтарын темір тордың металл ілгектеріне іліп, ол жүйке ұштарының тән реакциясына назар аударды.
Алайда тағы бір итальяндық Алессандро Вольта Гальванидің тұжырымдарын жоққа шығарды. Жануарлар ағзаларынан электр энергиясын алу мүмкіндігіне қызығушылық танытқан ол бақалармен бірқатар тәжірибелер жүргізді. Бірақ оның тұжырымы алдыңғы гипотезаларға мүлдем қарама-қайшы болып шықты.
Вольта тірі организм тек электр разрядының көрсеткіші екеніне назар аударды. Ток өткен кезде аяқтың бұлшықеттері жиырылады, бұл потенциалдар айырмашылығын көрсетеді. Электр өрісінің көзі бір-біріне ұқсамайтын металдардың жанасуы болды. Олар химиялық элементтер қатарында неғұрлым алыс болса, соғұрлым әсер күшейеді.
Электролит ерітіндісіне малынған қағаз дискілерімен төселген бір-біріне ұқсамайтын металдардан жасалған пластиналар ұзақ уақыт бойы қажетті потенциалдар айырмасын жасады. Және ол төмен болсын (1,1 В), бірақ электр тогын ұзақ уақыт бойы зерттеуге болады. Ең бастысы, кернеу ұзақ уақыт бойы өзгеріссіз қалды.
Не болып жатыр
«Гальваникалық элементтер» деп аталатын көздер неге мұндай әсер береді?
Диэлектрикке орналастырылған екі металл электрод әртүрлі рөл атқарады. Біреуі электрондарды береді, екіншісі оларды қабылдайды. Тотығу-тотықсыздану реакциясының процесі бір электродта теріс полюс деп аталатын электрондардың артық болуының, ал екіншісінде тапшылықтың пайда болуына әкеледі, біз оны көздің оң полюсі деп белгілейміз.
Ең қарапайым гальваникалық элементтерде бір электродта тотығу реакциялары, ал екіншісінде тотықсыздану реакциялары жүреді. Электрондар электродтарға тізбектің сыртынан келеді. Электролит көздің ішіндегі иондардың ток өткізгіші болып табылады. Қарсылық күші процестің ұзақтығын басқарады.
Мыс-мырыш элемент
Гальваникалық элементтердің жұмыс істеу принципін мыс-мырыш гальваникалық элемент мысалында қарастыру қызықты, оның әрекеті мырыш пен мыс сульфатының энергиясына байланысты. Бұл көзде мыс пластина мыс сульфаты ерітіндісіне, ал мырыш электроды мырыш сульфаты ерітіндісіне батырылады. Ерітінділер араласпау үшін кеуекті аралықпен бөлінген, бірақ олар жанасып тұруы керек.
Тізбек жабық болса, мырыштың беткі қабаты тотығады. Сұйықтықпен әрекеттесу процесінде ерітіндіде иондарға айналған мырыш атомдары пайда болады. Электродта ток генерациясына қатыса алатын электрондар шығарылады.
Мыс электродына жеткенде электрондар тотықсыздану реакциясына қатысады. бастаперітіндісі, мыс иондары беткі қабатқа түседі, тотықсыздану процесінде мыс пластинасына шөгіп, мыс атомдарына айналады.
Болған жағдайды қорытындылайтын болсақ: гальваникалық элементтің жұмыс процесі тізбектің сыртқы бөлігі бойымен тотықсыздандырғыштан тотықтырғышқа электрондардың ауысуымен бірге жүреді. Реакциялар екі электродта да жүреді. Иондық ток көздің ішінде ағып жатыр.
Қолдану қиындығы
Негізінде, батареяларда ықтимал тотығу-тотықсыздану реакцияларының кез келгенін қолдануға болады. Бірақ техникалық құнды элементтерде жұмыс істеуге қабілетті заттар соншалықты көп емес. Оның үстіне көптеген реакциялар қымбат заттарды қажет етеді.
Заманауи батареялардың құрылымы қарапайымырақ. Бір электролитке орналастырылған екі электрод ыдысты - батарея корпусын толтырады. Мұндай дизайн мүмкіндіктері құрылымды жеңілдетеді және батареялардың құнын төмендетеді.
Кез келген гальваникалық элемент тұрақты ток шығаруға қабілетті.
Токтың кедергісі барлық иондардың бір уақытта электродтарда болуына мүмкіндік бермейді, сондықтан элемент ұзақ уақыт жұмыс істейді. Ион түзілудің химиялық реакциялары ерте ме, кеш пе тоқтайды, элемент разрядталады.
Ток көзінің ішкі кедергісі маңызды.
Қарсылық туралы аздап
Электр тогын қолдану, сөзсіз, ғылыми-техникалық прогресті жаңа деңгейге шығарды, оған үлкен серпіліс берді. Бірақ ток ағынына қарсылық күші мұндай дамуға кедергі жасайды.
Бір жағынан электр тогының күнделікті өмірде және техникада қолданылатын баға жетпес қасиеттері болса, екінші жағынан айтарлықтай қарсылық бар. Физика табиғат туралы ғылым ретінде тепе-теңдікті сақтауға, осы жағдайларды сәйкестендіруге тырысады.
Ток кедергісі электр зарядталған бөлшектердің қозғалатын затпен әрекеттесуі нәтижесінде пайда болады. Қалыпты температура жағдайында бұл процесті жоққа шығару мүмкін емес.
Қарсылық
Ток көзінің ішкі кедергісі мен тізбектің сыртқы бөлігінің кедергісі аздап басқа сипатта болады, бірақ бұл процестерде зарядты жылжыту үшін атқарылатын жұмыс бірдей.
Жұмыстың өзі тек көздің қасиеттеріне және оның мазмұнына байланысты: электродтар мен электролиттердің сапасына, сонымен қатар кедергісі геометриялық параметрлерге және химиялық әсерге байланысты тізбектің сыртқы бөліктеріне материалдың ерекшеліктері. Мысалы, металл сымның кедергісі оның ұзындығы ұлғайған сайын артады, ал көлденең қимасының ауданы кеңейген сайын азаяды. Қарсылықты азайту мәселесін шешу кезінде физика арнайы материалдарды пайдалануды ұсынады.
Жұмыс ағымы
Джоуль-Ленц заңына сәйкес өткізгіштерде бөлінетін жылу мөлшері кедергіге пропорционал. Егер жылу мөлшерін Qint., ток күші I, оның ағу уақыты t деп белгілесек, онда мынаны аламыз:
Qint=I2 · r t,
мұндағы r – көздің ішкі кедергісіағымдағы.
Бүкіл контурда оның ішкі және сыртқы бөліктерін қоса алғанда, жалпы жылу мөлшері бөлінеді, оның формуласы:
Qтолық=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Физикада қарсылық қалай белгіленетіні белгілі: сыртқы тізбектің (көзден басқа барлық элементтері) R кедергісі бар.
Толық тізбек үшін Ом заңы
Негізгі жұмысты ток көзінің ішіндегі сыртқы күштер атқаратынын ескеріңіз. Оның мәні өріс көтерген заряд пен көздің электр қозғаушы күшінің көбейтіндісіне тең:
q E=I2 (r + R) t.
зарядтың ток күші мен оның ағу уақытының көбейтіндісіне тең екенін түсініп, бізде:
E=I (r + R)
Себеп-салдар байланыстарына сәйкес Ом заңы келесідей болады:
I=E: (r + R)
Тұйық контурдағы ток күші ток көзінің ЭҚК-іне тура пропорционал және тізбектің жалпы (жалпы) кедергісіне кері пропорционал.
Осы үлгі негізінде ток көзінің ішкі кедергісін анықтауға болады.
Көздің разряд сыйымдылығы
Разряд сыйымдылығын көздердің негізгі сипаттамаларына да жатқызуға болады. Белгілі бір жағдайларда жұмыс істегенде алуға болатын электр энергиясының максималды мөлшері разрядтық токтың күшіне байланысты.
Идеал жағдайда, белгілі бір жуықтаулар жасалғанда, разряд сыйымдылығын тұрақты деп санауға болады.
ҚМысалы, әлеуетті айырмашылығы 1,5 В болатын стандартты аккумулятордың разряд сыйымдылығы 0,5 Ah. Разряд тогы 100мА болса, ол 5 сағат жұмыс істейді.
Батареяларды зарядтау әдістері
Батареяларды пайдалану олардың зарядсыздануына әкеледі. Батареяларды қалпына келтіру, шағын ұяшықтарды зарядтау қуат мәні көз қуатының оннан бірінен аспайтын токты қолдану арқылы жүзеге асырылады.
Келесі зарядтау әдістері қолжетімді:
- белгілі бір уақыт ішінде тұрақты токты пайдалану (шамамен 16 сағат ағымдағы 0,1 батарея сыйымдылығы);
- төмендететін токпен алдын ала анықталған потенциалдар айырмашылығы мәніне дейін зарядтау;
- теңгерімсіз токтарды пайдалану;
- біріншісінің уақыты екіншісінің уақытынан асатын зарядтау және зарядсыздандырудың қысқа импульстерін бірізді қолдану.
Практикалық жұмыс
Тапсырма ұсынылады: ток көзінің ішкі кедергісін және ЭҚК анықтау.
Оны орындау үшін ток көзіне, амперметрге, вольтметрге, сырғымалы реостатқа, кілтке, өткізгіштер жинағына жинақтау керек.
Тұйық тізбек үшін Ом заңын қолдану ток көзінің ішкі кедергісін анықтайды. Ол үшін оның ЭҚК-ін, реостат кедергісінің мәнін білу керек.
Тізбектің сыртқы бөлігіндегі ток кедергісін есептеу формуласын тізбек бөлімі үшін Ом заңы бойынша анықтауға болады:
I=U: R,
мұндағы I – амперметрмен өлшенетін тізбектің сыртқы бөлігіндегі ток күші; U - сыртқы кернеуқарсылық.
Дәлдікті жақсарту үшін өлшеулер кемінде 5 рет алынады. Ол не үшін? Төменде эксперимент кезінде өлшенген кернеу, кедергі, ток (дәлірек айтсақ, ток күші) пайдаланылады.
Ток көзінің ЭҚК анықтау үшін кілті ашық тұрған оның терминалдарындағы кернеудің ЭҚК дерлік тең екендігін пайдаланамыз.
Батареядан, реостаттан, амперметрден, тізбектей жалғанған кілттен тізбек құрастырайық. Біз вольтметрді ток көзінің терминалдарына қосамыз. Кілтті ашқаннан кейін оның көрсеткіштерін аламыз.
Толық тізбек үшін Ом заңынан формуласы алынған ішкі кедергі математикалық есептеулер арқылы анықталады:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Өлшемдер ішкі кедергінің сыртқы кедергіден әлдеқайда аз екенін көрсетеді.
Қайта зарядталатын батареялар мен батареялардың практикалық қызметі кеңінен қолданылады. Электр қозғалтқыштарының даусыз экологиялық қауіпсіздігі күмән тудырмайды, бірақ сыйымды, эргономикалық аккумулятор жасау қазіргі физиканың мәселесі болып табылады. Оның шешімі автомобиль технологиясын дамытудың жаңа кезеңіне әкеледі.
Шағын, жеңіл, сыйымдылығы жоғары батареялар мобильді электрондық құрылғыларда да қажет. Оларда қолданылатын энергия мөлшері құрылғылардың өнімділігіне тікелей байланысты.
