La corrente elettrica nel conduttore si genera sotto l'influenza di un campo elettrico, costringendo le particelle cariche libere a entrare in movimento diretto. La creazione di una corrente di particelle è un problema serio. Costruire un tale dispositivo che manterrà a lungo la differenza potenziale del campo in uno stato è un compito che l'umanità potrebbe risolvere solo entro la fine del 18° secolo.
Primi tentativi
I primi tentativi di "accumulare elettricità" per la sua ulteriore ricerca e utilizzo sono stati fatti in Olanda. Il tedesco Ewald Jurgen von Kleist e l'olandese Peter van Muschenbrook, che condussero le loro ricerche nella città di Leiden, crearono il primo condensatore al mondo, in seguito chiamato "Vaso di Leida".
L'accumulo di carica elettrica è già avvenuto sotto l'azione dell'attrito meccanico. Era possibile utilizzare una scarica attraverso un conduttore per un certo periodo di tempo piuttosto breve.
La vittoria della mente umana su una sostanza così effimera come l'elettricità si è rivelata rivoluzionaria.
Purtroppo scarica (corrente elettrica generata da un condensatore)è durato così poco che non poteva creare una corrente continua. Inoltre, la tensione fornita dal condensatore viene gradualmente ridotta, il che rende impossibile ricevere una corrente continua.
Avrei dovuto cercare un altro modo.
Prima fonte
Gli esperimenti di "elettricità animale" di Galvani sono stati un tentativo originale di trovare una fonte naturale di corrente in natura. Appendendo le zampe delle rane sezionate a ganci metallici di un reticolo di ferro, attirò l'attenzione sulla caratteristica reazione delle terminazioni nervose.
Tuttavia, un altro italiano, Alessandro Volta, ha confutato le conclusioni di Galvani. Interessato alla possibilità di ottenere elettricità da organismi animali, condusse una serie di esperimenti con le rane. Ma la sua conclusione si è rivelata l'esatto opposto delle ipotesi precedenti.
Volta ha richiamato l'attenzione sul fatto che un organismo vivente è solo un indicatore di una scarica elettrica. Quando la corrente passa, i muscoli delle gambe si contraggono, indicando una differenza di potenziale. La fonte del campo elettrico era il contatto di metalli dissimili. Più sono distanti in una serie di elementi chimici, maggiore è l'effetto.
Lastre di metalli dissimili, posate con dischi di carta imbevuti di una soluzione elettrolitica, hanno creato a lungo la necessaria differenza di potenziale. E lascia che sia basso (1,1 V), ma la corrente elettrica potrebbe essere studiata a lungo. La cosa principale è che la tensione è rimasta invariata per lo stesso tempo.
Cosa sta succedendo
Perché le sorgenti chiamate "celle galvaniche" provocano un tale effetto?
Due elettrodi metallici posti in un dielettrico svolgono ruoli diversi. Uno fornisce elettroni, l' altro li accetta. Il processo di reazione redox porta alla comparsa di un eccesso di elettroni su un elettrodo, che è chiamato polo negativo, e una carenza sul secondo, lo indicheremo come il polo positivo della sorgente.
Nelle celle galvaniche più semplici si verificano reazioni ossidative su un elettrodo e reazioni di riduzione sull' altro. Gli elettroni arrivano agli elettrodi dall'esterno del circuito. L'elettrolita è il conduttore di corrente degli ioni all'interno della sorgente. La forza della resistenza governa la durata del processo.
Elemento rame-zinco
Il principio di funzionamento delle celle galvaniche è interessante da considerare usando l'esempio di una cella galvanica rame-zinco, la cui azione è dovuta all'energia dello zinco e del solfato di rame. In questa fonte, una lastra di rame viene posta in una soluzione di solfato di rame e un elettrodo di zinco viene immerso in una soluzione di solfato di zinco. Le soluzioni sono separate da un distanziatore poroso per evitare la miscelazione, ma devono essere a contatto.
Se il circuito è chiuso, lo strato superficiale di zinco si ossida. Nel processo di interazione con il liquido, gli atomi di zinco, trasformati in ioni, compaiono nella soluzione. Gli elettroni vengono rilasciati sull'elettrodo, che può prendere parte alla generazione di corrente.
Arrivando all'elettrodo di rame, gli elettroni prendono parte alla reazione di riduzione. A partire dalsoluzione, gli ioni rame entrano nello strato superficiale, nel processo di riduzione si trasformano in atomi di rame, depositandosi sulla lastra di rame.
Per riassumere cosa sta succedendo: il processo di funzionamento di una cella galvanica è accompagnato dal trasferimento di elettroni dall'agente riducente all'agente ossidante lungo la parte esterna del circuito. Le reazioni avvengono su entrambi gli elettrodi. Una corrente ionica scorre all'interno della sorgente.
Difficoltà di utilizzo
In linea di principio, qualsiasi possibile reazione redox può essere utilizzata nelle batterie. Ma non ci sono così tante sostanze in grado di lavorare in elementi tecnicamente preziosi. Inoltre, molte reazioni richiedono sostanze costose.
Le batterie moderne hanno una struttura più semplice. Due elettrodi posti in un elettrolita riempiono la nave: la custodia della batteria. Tali caratteristiche di progettazione semplificano la struttura e riducono il costo delle batterie.
Qualsiasi cella galvanica è in grado di produrre corrente continua.
La resistenza della corrente non consente a tutti gli ioni di essere sugli elettrodi contemporaneamente, quindi l'elemento funziona a lungo. Le reazioni chimiche di formazione di ioni prima o poi si fermano, l'elemento viene scaricato.
La resistenza interna di una sorgente di corrente è importante.
Un po' di resistenza
L'uso della corrente elettrica, senza dubbio, ha portato il progresso scientifico e tecnologico a un nuovo livello, dandogli una spinta enorme. Ma la forza di resistenza al flusso di corrente ostacola tale sviluppo.
Da un lato, la corrente elettrica ha proprietà inestimabili utilizzate nella vita quotidiana e nella tecnologia, dall' altro c'è una significativa opposizione. La fisica, in quanto scienza della natura, cerca di trovare un equilibrio, di allineare queste circostanze.
La resistenza di corrente sorge a causa dell'interazione di particelle caricate elettricamente con la sostanza attraverso la quale si muovono. È impossibile escludere questo processo in condizioni di temperatura normali.
Resistenza
La resistenza interna della sorgente di corrente e la resistenza della parte esterna del circuito sono di natura leggermente diversa, ma lo stesso in questi processi è il lavoro svolto per spostare la carica.
Il lavoro stesso dipende solo dalle proprietà della sorgente e dal suo contenuto: le qualità degli elettrodi e dell'elettrolita, nonché per le parti esterne del circuito, la cui resistenza dipende dai parametri geometrici e chimici caratteristiche del materiale. Ad esempio, la resistenza di un filo metallico aumenta con l'aumento della sua lunghezza e diminuisce con l'espansione dell'area della sezione trasversale. Quando si risolve il problema di come ridurre la resistenza, la fisica consiglia di utilizzare materiali specializzati.
Attuale lavoro
Secondo la legge di Joule-Lenz, la quantità di calore rilasciata nei conduttori è proporzionale alla resistenza. Se designiamo la quantità di calore come Qint., la forza della corrente I, il tempo del suo flusso t, allora otteniamo:
Qint=I2 · r t,
dove r è la resistenza interna della sorgenteattuale.
Nell'intero circuito, comprese le parti interne ed esterne, verrà rilasciata la quantità totale di calore, la cui formula è:
Qfull=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
È noto come in fisica si denoti resistenza: un circuito esterno (tutti gli elementi tranne la sorgente) ha resistenza R.
Legge di Ohm per un circuito completo
Tieni conto che il lavoro principale è svolto da forze esterne all'interno della sorgente di corrente. Il suo valore è uguale al prodotto della carica trasportata dal campo e della forza elettromotrice della sorgente:
q MI=I2 (dr + D) t.
Capendo che la carica è uguale al prodotto della forza attuale e del tempo del suo flusso, abbiamo:
E=I (r + R)
Secondo le relazioni di causa ed effetto, la legge di Ohm ha la forma:
I=MI: (dr + D)
La corrente in un circuito chiuso è direttamente proporzionale all'EMF della sorgente di corrente e inversamente proporzionale alla resistenza totale (totale) del circuito.
In base a questo schema, è possibile determinare la resistenza interna della sorgente di corrente.
Capacità di scarico della sorgente
La capacità di scarico può essere attribuita anche alle principali caratteristiche delle sorgenti. La quantità massima di elettricità ottenibile durante il funzionamento in determinate condizioni dipende dall'intensità della corrente di scarica.
Nel caso ideale, quando si fanno determinate approssimazioni, la capacità di scarica può essere considerata costante.
KAd esempio, una batteria standard con una differenza di potenziale di 1,5 V ha una capacità di scarica di 0,5 Ah. Se la corrente di scarica è 100 mA, funziona per 5 ore.
Metodi per caricare le batterie
Lo sfruttamento delle batterie porta alla loro scarica. Ripristino delle batterie, la ricarica delle piccole celle viene effettuata utilizzando una corrente il cui valore di forza non superi un decimo della capacità della sorgente.
Sono disponibili i seguenti metodi di ricarica:
- usando corrente costante per un periodo di tempo specificato (circa 16 ore con una capacità della batteria attuale di 0,1);
- ricarica con una corrente ridotta a un valore di differenza di potenziale predeterminato;
- utilizzo di correnti sbilanciate;
- applicazione successiva di brevi impulsi di carica e scarica, in cui il tempo del primo supera il tempo del secondo.
Lavoro pratico
Si propone il compito: determinare la resistenza interna della sorgente di corrente e dell'EMF.
Per eseguirlo, devi fare scorta di una sorgente di corrente, un amperometro, un voltmetro, un reostato slider, una chiave, un set di conduttori.
Usare la legge di Ohm per un circuito chiuso determinerà la resistenza interna della sorgente di corrente. Per fare ciò, è necessario conoscere la sua EMF, il valore della resistenza del reostato.
La formula di calcolo per la resistenza di corrente nella parte esterna del circuito può essere determinata dalla legge di Ohm per la sezione del circuito:
I=U: R,
dove I è l'intensità della corrente nella parte esterna del circuito, misurata con un amperometro; U - tensione sull'esternoresistenza.
Per migliorare la precisione, le misurazioni vengono eseguite almeno 5 volte. Cosa serve? La tensione, la resistenza, la corrente (o meglio, l'intensità della corrente) misurate durante l'esperimento sono utilizzate di seguito.
Per determinare l'EMF della sorgente di corrente, utilizziamo il fatto che la tensione ai suoi terminali con la chiave aperta è quasi uguale all'EMF.
Assembliamo un circuito da una batteria, un reostato, un amperometro, una chiave collegati in serie. Colleghiamo un voltmetro ai terminali della sorgente di corrente. Dopo aver aperto la chiave, prendiamo le sue letture.
La resistenza interna, la cui formula si ottiene dalla legge di Ohm per un circuito completo, è determinata da calcoli matematici:
- I=MI: (dr + D).
- r=E: I – U: I.
Le misurazioni mostrano che la resistenza interna è molto inferiore a quella esterna.
La pratica funzione di batterie ricaricabili e batterie è ampiamente utilizzata. L'indiscutibile sicurezza ambientale dei motori elettrici è fuori dubbio, ma realizzare una batteria capiente ed ergonomica è un problema della fisica moderna. La sua soluzione porterà a un nuovo round nello sviluppo della tecnologia automobilistica.
Le batterie piccole, leggere e ad alta capacità sono essenziali anche nei dispositivi elettronici mobili. La quantità di energia utilizzata in essi è direttamente correlata alle prestazioni dei dispositivi.
