جریان الکتریکی در رسانا تحت تأثیر میدان الکتریکی ایجاد می شود و ذرات باردار آزاد را وادار به حرکت جهت دار می کند. ایجاد یک جریان ذرات یک مشکل جدی است. ساختن چنین وسیله‌ای که اختلاف پتانسیل میدان را برای مدت طولانی در یک حالت حفظ کند، کاری است که بشر تنها تا پایان قرن هجدهم توانست آن را حل کند.
اولین تلاش
اولین تلاش برای "انباشته شدن الکتریسیته" برای تحقیقات و استفاده بیشتر از آن در هلند انجام شد. ایوالد یورگن فون کلایست آلمانی و پیتر ون موشنبروک هلندی که تحقیقات خود را در شهر لیدن انجام دادند، اولین خازن جهان را ساختند که بعداً "کوزه لیدن" نامیده شد.
تجمع بار الکتریکی قبلاً تحت عمل اصطکاک مکانیکی اتفاق افتاده است. امکان استفاده از تخلیه از طریق هادی برای مدت زمان مشخص و نسبتاً کوتاه وجود داشت.
پیروزی ذهن انسان بر ماده ای زودگذر مانند الکتریسیته انقلابی بود.
متاسفانه تخلیه (جریان الکتریکی تولید شده توسط خازن)آنقدر کوتاه ماند که نتوانست جریان مستقیم ایجاد کند. علاوه بر این، ولتاژ عرضه شده توسط خازن به تدریج کاهش می یابد، که دریافت جریان پیوسته را غیرممکن می کند.
باید دنبال راه دیگری می گشتم.
منبع اول
آزمایش‌های «الکتریسیته حیوانی» گالوانی ایتالیایی تلاشی اصلی برای یافتن منبع طبیعی جریان در طبیعت بود. او با آویزان کردن پاهای قورباغه های جدا شده روی قلاب های فلزی یک شبکه آهنی، توجه را به واکنش مشخصه پایانه های عصبی جلب کرد.
با این حال، یک ایتالیایی دیگر، الساندرو ولتا، نتایج گالوانی را رد کرد. او که علاقه مند به امکان بدست آوردن الکتریسیته از موجودات حیوانی بود، یک سری آزمایش با قورباغه ها انجام داد. اما نتیجه گیری او کاملاً برعکس فرضیه های قبلی بود.
Volta توجه را به این واقعیت جلب کرد که یک موجود زنده فقط نشانگر تخلیه الکتریکی است. هنگامی که جریان عبور می کند، ماهیچه های پا منقبض می شوند که نشان دهنده اختلاف پتانسیل است. منبع میدان الکتریکی تماس فلزات غیرمشابه بود. هر چه آنها در یک سری از عناصر شیمیایی از هم دورتر باشند، تأثیر آنها بیشتر است.
صفحات فلزات غیرمشابه، با دیسک های کاغذی آغشته به محلول الکترولیت، برای مدت طولانی تفاوت پتانسیل لازم را ایجاد کردند. و بگذارید کم باشد (1.1 ولت)، اما جریان الکتریکی را می توان برای مدت طولانی بررسی کرد. نکته اصلی این است که ولتاژ برای مدت طولانی بدون تغییر باقی ماند.
چه خبر است
چرا منابعی به نام "سلول های گالوانیک" چنین تأثیری ایجاد می کنند؟
دو الکترود فلزی که در یک دی الکتریک قرار می گیرند نقش های متفاوتی دارند. یکی الکترون ها را تامین می کند، دیگری آنها را می پذیرد. فرآیند واکنش ردوکس منجر به ظهور الکترون های اضافی در یک الکترود می شود که قطب منفی نامیده می شود و کمبود در الکترود دوم آن را به عنوان قطب مثبت منبع نشان خواهیم داد.
در ساده‌ترین سلول‌های گالوانیکی، واکنش‌های اکسیداتیو روی یک الکترود و واکنش‌های کاهش روی دیگری رخ می‌دهند. الکترون ها از بیرون مدار به الکترودها می آیند. الکترولیت هادی جریان یون های داخل منبع است. قدرت مقاومت بر طول مدت این فرآیند حاکم است.
عنصر مس-روی
اصل عملکرد سلول های گالوانیکی جالب است که با استفاده از مثال سلول گالوانیکی مس-روی که عملکرد آن به دلیل انرژی روی و سولفات مس است در نظر گرفته شود. در این منبع یک صفحه مسی در محلول سولفات مس و یک الکترود روی در محلول سولفات روی غوطه ور می شود. محلول ها برای جلوگیری از اختلاط توسط یک فاصله دهنده متخلخل از هم جدا می شوند، اما باید در تماس باشند.
اگر مدار بسته باشد، لایه سطحی روی اکسید می شود. در فرآیند برهمکنش با مایع، اتم های روی که به یون تبدیل شده اند، در محلول ظاهر می شوند. الکترون‌هایی روی الکترود آزاد می‌شوند که می‌توانند در تولید جریان شرکت کنند.
با رسیدن به الکترود مس، الکترونها در واکنش احیا شرکت می کنند. از جانبمحلول، یون‌های مس وارد لایه سطحی می‌شوند و در فرآیند احیا به اتم‌های مس تبدیل می‌شوند و روی صفحه مسی رسوب می‌کنند.
به طور خلاصه آنچه در حال رخ دادن است: فرآیند عملکرد یک سلول گالوانیکی با انتقال الکترون ها از عامل کاهنده به عامل اکسید کننده در امتداد قسمت بیرونی مدار همراه است. واکنش ها روی هر دو الکترود انجام می شود. یک جریان یونی در داخل منبع جریان دارد.
مشکل استفاده
در اصل، هر یک از واکنش های ردوکس ممکن را می توان در باتری ها استفاده کرد. اما مواد زیادی وجود ندارند که بتوانند در عناصر با ارزش فنی کار کنند. علاوه بر این، بسیاری از واکنش ها به مواد گران قیمت نیاز دارند.
باتری های مدرن ساختار ساده تری دارند. دو الکترود قرار داده شده در یک الکترولیت ظرف را پر می کند - جعبه باتری. چنین ویژگی های طراحی ساختار را ساده می کند و هزینه باتری ها را کاهش می دهد.
هر سلول گالوانیکی قادر به تولید جریان مستقیم است.
مقاومت جریان اجازه نمی دهد همه یون ها به طور همزمان روی الکترودها قرار بگیرند، بنابراین عنصر برای مدت طولانی کار می کند. واکنش های شیمیایی تشکیل یون دیر یا زود متوقف می شود، عنصر تخلیه می شود.
مقاومت داخلی منبع جریان مهم است.
کمی درباره مقاومت
استفاده از جریان الکتریکی بدون شک پیشرفت علمی و فناوری را به سطح جدیدی رساند و به او رونق عظیمی بخشید. اما نیروی مقاومت در برابر جریان جریان مانع چنین توسعه ای می شود.
از یک سو، جریان الکتریکی دارای خواص ارزشمندی است که در زندگی روزمره و فناوری استفاده می شود، از سوی دیگر، مخالفت های قابل توجهی وجود دارد. فیزیک، به عنوان یک علم طبیعت، تلاش می کند تا تعادلی ایجاد کند، تا این شرایط را هماهنگ کند.
مقاومت فعلی به دلیل برهمکنش ذرات باردار الکتریکی با ماده ای که از طریق آن حرکت می کنند ایجاد می شود. حذف این فرآیند در شرایط دمایی عادی غیرممکن است.
مقاومت
مقاومت داخلی منبع جریان و مقاومت قسمت خارجی مدار ماهیت کمی متفاوت دارند، اما در این فرآیندها کار انجام شده برای جابجایی شارژ یکسان است.
خود کار فقط به خواص منبع و محتوای آن بستگی دارد: کیفیت الکترودها و الکترولیت، و همچنین برای قطعات خارجی مدار، که مقاومت آنها به پارامترهای هندسی و مواد شیمیایی بستگی دارد. ویژگی های مواد به عنوان مثال، مقاومت یک سیم فلزی با افزایش طول آن افزایش می یابد و با گسترش سطح مقطع کاهش می یابد. هنگام حل مشکل چگونگی کاهش مقاومت، فیزیک استفاده از مواد تخصصی را توصیه می کند.
جریان کار
مطابق با قانون ژول-لنز، مقدار گرمای آزاد شده در هادی ها متناسب با مقاومت است. اگر مقدار گرما را به عنوان Qint. تعیین کنیم، قدرت جریان I، زمان جریان آن t، آنگاه به دست می آوریم:
Qint=I2 · r t,
که r مقاومت داخلی منبع استفعلی.
در کل مدار اعم از داخلی و خارجی آن مقدار کل گرما آزاد می شود که فرمول آن عبارت است از:
Qfull=I2 · r t + I ۲ R t=I2 (r +R) t,
مشخص است که چگونه مقاومت در فیزیک نشان داده می شود: یک مدار خارجی (همه عناصر به جز منبع) دارای مقاومت R است.
قانون اهم برای یک مدار کامل
در نظر بگیرید که کار اصلی توسط نیروهای خارجی در داخل منبع فعلی انجام می شود. مقدار آن برابر است با حاصل ضرب بار حمل شده توسط میدان و نیروی محرکه الکتریکی منبع:
q E=I2 (r + R) t.
با درک اینکه بار برابر با حاصلضرب قدرت فعلی و زمان جریان آن است، داریم:
E=I (r + R)
طبق روابط علت و معلولی، قانون اهم این شکل را دارد:
I=E: (r + R)
جریان در مدار بسته با EMF منبع جریان نسبت مستقیم و با مقاومت کل (کل) مدار نسبت معکوس دارد.
بر اساس این الگو، می توان مقاومت داخلی منبع فعلی را تعیین کرد.
ظرفیت تخلیه منبع
ظرفیت تخلیه را نیز می توان به ویژگی های اصلی منابع نسبت داد. حداکثر مقدار الکتریسیته ای که می توان هنگام کار در شرایط خاص به دست آورد، به شدت جریان تخلیه بستگی دارد.
در حالت ایده آل، وقتی تقریب های خاصی انجام می شود، ظرفیت تخلیه را می توان ثابت در نظر گرفت.
Kبه عنوان مثال، یک باتری استاندارد با اختلاف پتانسیل 1.5 ولت دارای ظرفیت تخلیه 0.5 Ah است. اگر جریان تخلیه 100 میلی آمپر باشد، 5 ساعت کار می کند.
روشهای شارژ باتری
بهره برداری از باتری ها منجر به تخلیه آنها می شود. بازسازی باتری ها، شارژ سلول های کوچک با استفاده از جریانی انجام می شود که مقدار قدرت آن از یک دهم ظرفیت منبع تجاوز نمی کند.
روش های شارژ زیر موجود است:
- استفاده از جریان ثابت برای مدت زمان مشخص (حدود 16 ساعت فعلی ظرفیت باتری 0.1)؛
- شارژ با جریان کاهنده تا مقدار اختلاف پتانسیل از پیش تعیین شده؛
- استفاده از جریان های نامتعادل؛
- کاربرد پی در پی پالس های کوتاه شارژ و دشارژ، که در آن زمان اولی از زمان دوم بیشتر است.
کار عملی
کار پیشنهاد شده است: تعیین مقاومت داخلی منبع جریان و EMF.
برای انجام آن، باید منبع جریان، آمپرمتر، ولت متر، رئوستات لغزنده، کلید، مجموعه ای از هادی ها را ذخیره کنید.
استفاده از قانون اهم برای مدار بسته مقاومت داخلی منبع جریان را تعیین می کند. برای انجام این کار، باید EMF آن یعنی مقدار مقاومت رئوستات را بدانید.
فرمول محاسبه مقاومت جریان در قسمت بیرونی مدار را می توان از قانون اهم برای بخش مدار تعیین کرد:
I=U: R،
جایی که I قدرت جریان در قسمت بیرونی مدار است که با آمپرمتر اندازه گیری می شود. U - ولتاژ در خارجیمقاومت.
برای بهبود دقت، اندازه گیری ها حداقل 5 بار انجام می شود. این برای چیست؟ ولتاژ، مقاومت، جریان (یا بهتر بگوییم، قدرت جریان) اندازه‌گیری شده در طول آزمایش در زیر استفاده می‌شود.
برای تعیین EMF منبع جریان، از این واقعیت استفاده می کنیم که ولتاژ در پایانه های آن با کلید باز تقریباً برابر با EMF است.
بیایید یک مدار از یک باتری، یک رئوستات، یک آمپرمتر، یک کلید متصل به صورت سری جمع کنیم. ما یک ولت متر را به پایانه های منبع جریان وصل می کنیم. پس از باز کردن کلید، خوانش آن را می گیریم.
مقاومت داخلی که فرمول آن از قانون اهم برای یک مدار کامل به دست می آید، با محاسبات ریاضی تعیین می شود:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
اندازه گیری ها نشان می دهد که مقاومت داخلی بسیار کمتر از مقاومت خارجی است.
عملکرد عملی باتری ها و باتری های قابل شارژ به طور گسترده ای استفاده می شود. ایمنی زیست محیطی انکارناپذیر موتورهای الکتریکی بدون شک است، اما ایجاد یک باتری بزرگ و ارگونومیک مشکل فیزیک مدرن است. راه حل آن به دور جدیدی در توسعه فناوری خودرو منجر خواهد شد.
باتری های کوچک، سبک و با ظرفیت بالا نیز در دستگاه های الکترونیکی سیار ضروری هستند. میزان انرژی مصرفی در آنها با عملکرد دستگاه ها ارتباط مستقیم دارد.
