İletkendeki elektrik akımı, bir elektrik alanının etkisi altında ortaya çıkar ve serbest yüklü parçacıkları yönlendirilmiş harekete geçmeye zorlar. Parçacık akımı yaratmak ciddi bir problemdir. Alanın potansiyel farkını tek bir durumda uzun süre koruyacak böyle bir cihaz inşa etmek, insanlığın ancak 18. yüzyılın sonunda çözebileceği bir görevdir.
İlk denemeler
Daha fazla araştırma ve kullanım için ilk "elektrik biriktirme" girişimleri Hollanda'da yapıldı. Leiden kasabasında araştırmalarını yürüten Alman Ewald Jurgen von Kleist ve Hollandalı Peter van Muschenbrook, daha sonra "Leyden kavanozu" olarak adlandırılan dünyanın ilk kondansatörünü yarattılar.
Elektrik yükü birikimi, mekanik sürtünme etkisi altında zaten gerçekleşti. Belli, oldukça kısa bir süre için bir iletken üzerinden deşarj kullanmak mümkündü.
Elektrik gibi kısa ömürlü bir maddeye karşı insan zihninin zaferinin devrim niteliğinde olduğu ortaya çıktı.
Maalesef deşarj (bir kapasitör tarafından üretilen elektrik akımı)o kadar kısa sürdü ki doğru akım oluşturamadı. Ek olarak, kondansatör tarafından sağlanan voltaj kademeli olarak düşürülür, bu da sürekli bir akım almayı imkansız hale getirir.
Başka bir yol aramalıydım.
İlk kaynak
İtalyan Galvani'nin "hayvan elektriği" deneyleri, doğada doğal bir akım kaynağı bulmaya yönelik özgün bir girişimdi. Parçalanmış kurbağaların bacaklarını demir bir kafesin metal kancalarına asarak sinir uçlarının karakteristik reaksiyonuna dikkat çekti.
Ancak, bir başka İtalyan olan Alessandro Volta, Galvani'nin vardığı sonuçları yalanladı. Hayvan organizmalarından elektrik elde etme olasılığıyla ilgilenerek kurbağalarla bir dizi deney yaptı. Ancak vardığı sonuç, önceki hipotezlerin tam tersi çıktı.
Volta, canlı bir organizmanın yalnızca bir elektrik boşalmasının göstergesi olduğuna dikkat çekti. Akım geçtiğinde, bacak kasları kasılarak potansiyel bir fark olduğunu gösterir. Elektrik alanının kaynağı, farklı metallerin temasıydı. Bir dizi kimyasal elementte birbirlerinden ne kadar uzaklarsa, etki o kadar büyük olur.
Bir elektrolit çözeltisine batırılmış kağıt disklerle döşenen farklı metal plakalar, uzun süre gerekli potansiyel farkını yarattı. Ve düşük olmasına izin verin (1,1 V), ancak elektrik akımı uzun süre araştırılabilir. Ana şey, voltajın değişmeden kalmasıdır.
Neler oluyor
"Galvanik hücreler" olarak adlandırılan kaynaklar neden böyle bir etkiye neden oluyor?
Dielektrik içine yerleştirilmiş iki metal elektrot farklı roller oynar. Biri elektronları sağlar, diğeri onları kabul eder. Redoks reaksiyonu işlemi, negatif kutup adı verilen bir elektrotta elektron fazlalığının ortaya çıkmasına ve ikincisinde bir eksikliğin ortaya çıkmasına neden olur, bunu kaynağın pozitif kutbu olarak belirteceğiz.
En basit galvanik hücrelerde, bir elektrotta oksidatif reaksiyonlar, diğerinde indirgeme reaksiyonları meydana gelir. Elektronlar devrenin dışından elektrotlara gelir. Elektrolit, kaynak içindeki iyonların akım iletkenidir. Direncin gücü, sürecin süresini belirler.
Bakır-çinko element
Galvanik hücrelerin çalışma prensibi, eylemi çinko ve bakır sülfatın enerjisine bağlı olan bir bakır-çinko galvanik hücre örneğini kullanmayı düşünmek ilginçtir. Bu kaynakta, bir bakır sülfat çözeltisine bir bakır levha yerleştirilir ve bir çinko sülfat çözeltisine bir çinko elektrot daldırılır. Çözeltiler, karışmayı önlemek için gözenekli bir aralayıcı ile ayrılır, ancak temas halinde olmalıdır.
Devre kapalıysa, çinkonun yüzey tabakası oksitlenir. Sıvı ile etkileşim sürecinde, iyonlara dönüşen çinko atomları çözeltide ortaya çıkar. Elektronlar, akımın oluşumunda yer alabilen elektrot üzerinde serbest bırakılır.
Bakır elektroda gelince, elektronlar indirgeme reaksiyonunda yer alır. İtibarenÇözelti, bakır iyonları yüzey tabakasına girer, indirgeme sürecinde bakır atomlarına dönüşürler ve bakır plaka üzerinde birikirler.
Olanları özetlemek gerekirse: bir galvanik hücrenin çalışma sürecine, devrenin dış kısmı boyunca indirgeyici ajandan oksitleyici ajana elektron transferi eşlik eder. Reaksiyonlar her iki elektrotta da gerçekleşir. Kaynağın içinde bir iyon akımı akar.
Kullanım zorluğu
Prensip olarak, pillerde olası redoks reaksiyonlarından herhangi biri kullanılabilir. Ancak teknik olarak değerli elementlerde çalışabilen çok fazla madde yoktur. Ayrıca, birçok reaksiyon pahalı maddeler gerektirir.
Modern piller daha basit bir yapıya sahiptir. Bir elektrolit içine yerleştirilmiş iki elektrot, kabı doldurur - pil kutusu. Bu tür tasarım özellikleri yapıyı basitleştirir ve pil maliyetini düşürür.
Herhangi bir galvanik hücre doğru akım üretebilir.
Akımın direnci, tüm iyonların aynı anda elektrotlar üzerinde olmasına izin vermez, bu nedenle eleman uzun süre çalışır. İyon oluşumunun kimyasal reaksiyonları er ya da geç durur, element boşalır.
Akım kaynağının iç direnci önemlidir.
Direniş hakkında biraz
Elektrik akımının kullanılması şüphesiz bilimsel ve teknolojik ilerlemeyi yeni bir düzeye getirdi ve ona büyük bir destek verdi. Ancak akımın akışına direnmenin gücü böyle bir gelişmenin önüne geçer.
Bir yandan elektrik akımı günlük yaşamda ve teknolojide kullanılan paha biçilmez özelliklere sahipken, diğer yandan önemli bir muhalefet var. Fizik, bir doğa bilimi olarak, bu koşulları hizaya getirmek için bir denge kurmaya çalışır.
Akım direnci, elektrik yüklü parçacıkların içinde hareket ettikleri madde ile etkileşimi nedeniyle ortaya çıkar. Normal sıcaklık koşullarında bu işlemi hariç tutmak imkansızdır.
Direnç
Akım kaynağının iç direnci ve devrenin dış kısmının direnci biraz farklıdır, ancak bu işlemlerde yükü hareket ettirmek için yapılan iş aynıdır.
İşin kendisi yalnızca kaynağın özelliklerine ve içeriğine bağlıdır: elektrotların ve elektrolitin niteliklerinin yanı sıra, direnci geometrik parametrelere ve kimyasallara bağlı olan devrenin dış kısımları için malzemenin özellikleri. Örneğin, bir metal telin direnci, uzunluğu arttıkça artar ve kesit alanı genişledikçe azalır. Fizik, direncin nasıl az altılacağı sorununu çözerken özel malzemeler kullanılmasını önerir.
İş akımı
Joule-Lenz yasasına göre iletkenlerde açığa çıkan ısı miktarı dirençle orantılıdır. Isı miktarını Qint. olarak belirlersek, I akımının gücü, akış süresi t, o zaman şunu elde ederiz:
Qint=I2 · r t,
burada r kaynağın iç direncidirgüncel.
Hem dahili hem de harici parçaları dahil olmak üzere tüm devrede, formülü şu şekilde olan toplam ısı miktarı açığa çıkacaktır:
Qfull=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Fizikte direncin nasıl ifade edildiği bilinmektedir: harici bir devre (kaynak dışındaki tüm elemanlar) R direncine sahiptir.
Tam bir devre için Ohm yasası
Ana işin mevcut kaynağın içindeki dış güçler tarafından yapıldığını dikkate alın. Değeri, alan tarafından taşınan yük ile kaynağın elektromotor kuvvetinin çarpımına eşittir:
q E=I2 (r + R) t.
Yükün, mevcut güç ile akış süresinin çarpımına eşit olduğunu fark ederek:
E=I (r + R)
Neden-sonuç ilişkilerine göre, Ohm yasası şu şekildedir:
I=E: (r + R)
Kapalı bir devredeki akım, akım kaynağının EMF'si ile doğru orantılı ve devrenin toplam (toplam) direnci ile ters orantılıdır.
Bu kalıba dayalı olarak, mevcut kaynağın iç direncini belirlemek mümkündür.
Kaynak boş altma kapasitesi
Deşarj kapasitesi, kaynakların ana özelliklerine de atfedilebilir. Belirli koşullar altında çalışırken elde edilebilecek maksimum elektrik miktarı, deşarj akımının gücüne bağlıdır.
İdeal durumda, belirli yaklaşımlar yapıldığında, deşarj kapasitesi sabit kabul edilebilir.
KÖrneğin, 1,5 V potansiyel farkı olan standart bir pil, 0,5 Ah deşarj kapasitesine sahiptir. Deşarj akımı 100mA ise 5 saat çalışır.
Pilleri şarj etme yöntemleri
Pillerin kullanımı deşarj olmasına neden olur. Pillerin restorasyonu, küçük hücrelerin şarj edilmesi, güç değeri kaynak kapasitesinin onda birini geçmeyen bir akım kullanılarak gerçekleştirilir.
Aşağıdaki şarj yöntemleri mevcuttur:
- belirli bir süre için sabit akım kullanma (yaklaşık 16 saatlik akım 0.1 pil kapasitesi);
- önceden belirlenmiş bir potansiyel fark değerine kadar bir aşağı akımla şarj etme;
- dengesiz akımların kullanımı;
- ilk zamanının ikincinin zamanını aştığı kısa şarj ve deşarj darbelerinin ardışık uygulaması.
Pratik çalışma
Görev önerildi: mevcut kaynağın ve EMF'nin iç direncini belirlemek.
Bunu gerçekleştirmek için bir akım kaynağı, bir ampermetre, bir voltmetre, bir sürgü reostatı, bir anahtar, bir dizi iletken üzerinde stok yapmanız gerekir.
Kapalı bir devre için Ohm yasasını kullanmak, akım kaynağının iç direncini belirleyecektir. Bunu yapmak için, reostanın direncinin değeri olan EMF'sini bilmeniz gerekir.
Devrenin dış kısmındaki akım direncinin hesaplama formülü, devre bölümü için Ohm kanunundan belirlenebilir:
I=U: R,
burada I, bir ampermetre ile ölçülen devrenin dış kısmındaki akım gücüdür; U - harici voltajdirenç.
Doğruluğu artırmak için ölçümler en az 5 kez alınır. Bu ne için? Deney sırasında ölçülen voltaj, direnç, akım (veya daha doğrusu akım gücü) aşağıda kullanılmaktadır.
Akım kaynağının EMF'sini belirlemek için, anahtar açıkken terminallerindeki voltajın EMF'ye neredeyse eşit olduğu gerçeğini kullanırız.
Seri bağlı bir pil, reosta, ampermetre, anahtardan bir devre oluşturalım. Akım kaynağının terminallerine bir voltmetre bağlarız. Anahtarı açtıktan sonra okumalarını alıyoruz.
Tam bir devre için formülü Ohm yasasından elde edilen iç direnç, matematiksel hesaplamalarla belirlenir:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Ölçümler, iç direncin dış dirençten çok daha az olduğunu gösteriyor.
Şarj edilebilir pillerin ve pillerin pratik işlevi yaygın olarak kullanılmaktadır. Elektrik motorlarının tartışılmaz çevre güvenliği şüphesizdir, ancak geniş, ergonomik bir pil yaratmak modern fiziğin bir sorunudur. Çözümü, otomotiv teknolojisinin geliştirilmesinde yeni bir döneme öncülük edecek.
Küçük, hafif, yüksek kapasiteli piller de mobil elektronik cihazlarda çok önemlidir. İçlerinde kullanılan enerji miktarı cihazların performansı ile doğrudan ilişkilidir.
