ينشأ التيار الكهربائي في الموصل تحت تأثير مجال كهربائي ، مما يجبر الجسيمات المشحونة الحرة على الدخول في حركة موجهة. إنشاء تيار جسيم مشكلة خطيرة. إن بناء مثل هذا الجهاز الذي سيحافظ على الاختلاف المحتمل للمجال لفترة طويلة في ولاية واحدة هو مهمة لا يمكن للبشرية حلها إلا بحلول نهاية القرن الثامن عشر.
المحاولات الأولى
المحاولات الأولى "لتجميع الكهرباء" لمزيد من البحث والاستخدام تمت في هولندا. قام الألماني Ewald Jurgen von Kleist والهولندي Peter van Muschenbrook ، اللذان أجروا بحثهما في بلدة Leiden ، بإنشاء أول مكثف في العالم ، أطلق عليه فيما بعد "Leyden jar".
لقد حدث بالفعل تراكم الشحنة الكهربائية تحت تأثير الاحتكاك الميكانيكي. كان من الممكن استخدام التفريغ من خلال موصل لفترة زمنية معينة ، قصيرة نوعًا ما.
انتصار العقل البشري على مادة سريعة الزوال مثل الكهرباء تحول إلى ثورة.
لسوء الحظ ، التفريغ (تيار كهربائي يولده مكثف)استمرت لفترة قصيرة لدرجة أنها لم تستطع إنشاء تيار مباشر. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تقليل الجهد الذي يوفره المكثف تدريجيًا ، مما يجعل من المستحيل استقبال تيار مستمر.
كان يجب أن أبحث عن طريقة أخرى.
المصدر الأول
تجارب "كهرباء الحيوان" الإيطالية جالفاني كانت محاولة أصلية للعثور على مصدر طبيعي للتيار في الطبيعة. علق أرجل الضفادع المشرحة على خطافات معدنية لشبكة حديدية ، ولفت الانتباه إلى رد الفعل المميز للنهايات العصبية.
ومع ذلك ، دحض إيطالي آخر ، أليساندرو فولتا ، استنتاجات جالفاني. مهتمًا بإمكانية الحصول على الكهرباء من الكائنات الحية الحيوانية ، أجرى سلسلة من التجارب على الضفادع. لكن تبين أن استنتاجه هو عكس الفرضيات السابقة تمامًا.
لفت فولتا الانتباه إلى حقيقة أن الكائن الحي ليس سوى مؤشر على التفريغ الكهربائي. عندما يمر التيار ، تنقبض عضلات الساقين ، مما يشير إلى فرق الجهد. كان مصدر المجال الكهربائي هو ملامسة المعادن غير المتشابهة. كلما تباعدوا في سلسلة من العناصر الكيميائية ، زاد التأثير.
لوحات من معادن غير متشابهة ، موضوعة بأقراص ورقية مبللة بمحلول إلكتروليت ، أحدثت فرق الجهد الضروري لفترة طويلة. ودعها تكون منخفضة (1.1 فولت) ، ولكن يمكن فحص التيار الكهربائي لفترة طويلة. الشيء الرئيسي هو أن الجهد ظل دون تغيير لمدة طويلة.
ما الذي يحدث
لماذا تسبب المصادر المسماة "الخلايا الجلفانية" مثل هذا التأثير؟
يلعب قطبان معدنيان في عازل أدوارًا مختلفة. أحدهما يمد الإلكترونات والآخر يقبلها. تؤدي عملية تفاعل الأكسدة والاختزال إلى ظهور فائض من الإلكترونات على أحد القطبين ، وهو ما يسمى بالقطب السالب ، ونقص في القطب الثاني ، وسنشير إليه على أنه القطب الموجب للمصدر.
في أبسط الخلايا الجلفانية ، تحدث تفاعلات مؤكسدة على قطب كهربائي ، وتحدث تفاعلات اختزال على القطب الآخر. تأتي الإلكترونات إلى الأقطاب الكهربائية من خارج الدائرة. المنحل بالكهرباء هو الموصل الحالي للأيونات داخل المصدر. قوة المقاومة تتحكم في مدة العملية
عنصر النحاس والزنك
من المثير للاهتمام التفكير في مبدأ تشغيل الخلايا الجلفانية باستخدام مثال خلية جلفانية من النحاس والزنك ، والتي يرجع تأثيرها إلى طاقة الزنك وكبريتات النحاس. في هذا المصدر ، يتم وضع صفيحة نحاسية في محلول كبريتات النحاس ، ويتم غمر قطب كهربي من الزنك في محلول كبريتات الزنك. يتم فصل المحاليل بفاصل مسامي لمنع الاختلاط ، ولكن يجب أن تكون على اتصال.
إذا تم إغلاق الدائرة ، تتأكسد الطبقة السطحية من الزنك. في عملية التفاعل مع السائل ، تظهر ذرات الزنك ، بعد أن تحولت إلى أيونات ، في المحلول. يتم إطلاق الإلكترونات على القطب ، والتي يمكن أن تشارك في توليد التيار.
للوصول إلى القطب النحاسي ، تشارك الإلكترونات في تفاعل الاختزال. من عندالمحلول ، تدخل أيونات النحاس إلى الطبقة السطحية ، وفي عملية الاختزال تتحول إلى ذرات نحاسية ، تترسب على الصفيحة النحاسية.
لتلخيص ما يحدث: عملية تشغيل الخلية الجلفانية مصحوبة بنقل الإلكترونات من عامل الاختزال إلى العامل المؤكسد على طول الجزء الخارجي من الدائرة. تحدث التفاعلات على كلا القطبين. يتدفق تيار أيون داخل المصدر.
صعوبة في الاستخدام
من حيث المبدأ ، يمكن استخدام أي من تفاعلات الأكسدة والاختزال المحتملة في البطاريات. ولكن ليس هناك الكثير من المواد القادرة على العمل في العناصر ذات القيمة التقنية. علاوة على ذلك ، تتطلب العديد من التفاعلات مواد باهظة الثمن.
البطاريات الحديثة لها هيكل أبسط. تم وضع قطبين كهربائيين في إلكتروليت واحد يملأان الوعاء - علبة البطارية. تعمل ميزات التصميم هذه على تبسيط الهيكل وتقليل تكلفة البطاريات.
أي خلية كلفانية قادرة على إنتاج تيار مباشر.
مقاومة التيار لا تسمح لجميع الأيونات أن تكون على الأقطاب في نفس الوقت ، لذلك فإن العنصر يعمل لفترة طويلة. التفاعلات الكيميائية لتشكيل الأيونات تتوقف عاجلاً أو آجلاً ، يتم تفريغ العنصر.
المقاومة الداخلية للمصدر الحالي مهمة
قليلا عن المقاومة
استخدام التيار الكهربائي ، بلا شك ، جلب التقدم العلمي والتكنولوجي إلى مستوى جديد ، وأعطاه دفعة هائلة. لكن قوة مقاومة تدفق التيار تقف في طريق هذا التطور
من ناحية ، للتيار الكهربائي خصائص لا تقدر بثمن تستخدم في الحياة اليومية والتكنولوجيا ، من ناحية أخرى ، هناك معارضة كبيرة. الفيزياء ، كعلم الطبيعة ، تحاول تحقيق التوازن ، لجعل هذه الظروف في نصابها.
تنشأ المقاومة الحالية بسبب تفاعل الجسيمات المشحونة كهربائيًا مع المادة التي تتحرك من خلالها. من المستحيل استبعاد هذه العملية في ظل ظروف درجة الحرارة العادية.
المقاومة
المقاومة الداخلية للمصدر الحالي ومقاومة الجزء الخارجي من الدائرة ذات طبيعة مختلفة قليلاً ، ولكن الشيء نفسه في هذه العمليات هو العمل المنجز لتحريك الشحنة.
العمل نفسه يعتمد فقط على خصائص المصدر ومحتوياته: صفات الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت ، وكذلك للأجزاء الخارجية للدائرة ، والتي تعتمد مقاومتها على المعلمات الهندسية والكيميائية خصائص المادة. على سبيل المثال ، تزداد مقاومة السلك المعدني مع زيادة طوله وتنخفض مع تمدد منطقة المقطع العرضي. عند حل مشكلة كيفية تقليل المقاومة ، توصي الفيزياء باستخدام مواد متخصصة.
العمل الحالي
وفقًا لقانون جول لينز ، تتناسب كمية الحرارة المنبعثة في الموصلات مع المقاومة. إذا حددنا مقدار الحرارة كـ Qint.، قوة التيار I ، وقت تدفقه t ، فإننا نحصل على:
Qint=I2 · r t،
حيث r هي المقاومة الداخلية للمصدرالحالي.
في الدائرة بأكملها ، بما في ذلك أجزائها الداخلية والخارجية ، سيتم إطلاق الكمية الإجمالية للحرارة ، والتي تكون صيغتها:
Qfull=I2 · r t + I2 R t=I2 (r + R) t،
من المعروف كيف يتم الإشارة إلى المقاومة في الفيزياء: دائرة خارجية (جميع العناصر باستثناء المصدر) لديها مقاومة R.
قانون أوم لدائرة كاملة
ضع في اعتبارك أن العمل الرئيسي يتم بواسطة قوى خارجية داخل المصدر الحالي. قيمتها تساوي ناتج الشحنة التي يحملها المجال والقوة الدافعة الكهربائية للمصدر:
q E=I2 (r + R) t.
ندرك أن الشحنة تساوي ناتج القوة الحالية ووقت تدفقها ، لدينا:
E=أنا (ص + ص)
وفقًا لعلاقات السبب والنتيجة ، فإن قانون أوم له الشكل:
أنا=E: (ص + ص)
التيار في دائرة مغلقة يتناسب طرديا مع EMF للمصدر الحالي ويتناسب عكسيا مع المقاومة الإجمالية (الكلية) للدائرة.
بناءً على هذا النمط ، من الممكن تحديد المقاومة الداخلية للمصدر الحالي.
سعة تفريغ المصدر
يمكن أيضًا أن تُعزى قدرة التفريغ إلى الخصائص الرئيسية للمصادر. الحد الأقصى لكمية الكهرباء التي يمكن الحصول عليها عند التشغيل في ظل ظروف معينة تعتمد على قوة تيار التفريغ.
في الحالة المثالية ، عند إجراء تقديرات تقريبية معينة ، يمكن اعتبار سعة التفريغ ثابتة.
كعلى سبيل المثال ، بطارية قياسية بفرق محتمل 1.5 فولت لها سعة تفريغ 0.5 أمبير. إذا كان تيار التفريغ 100 مللي أمبير ، فإنه يعمل لمدة 5 ساعات.
طرق شحن البطاريات
استغلال البطاريات يؤدي إلى تفريغها. استعادة البطاريات ، يتم شحن الخلايا الصغيرة باستخدام تيار لا تتجاوز قوته عُشر سعة المصدر.
طرق الشحن التالية متوفرة:
- باستخدام تيار ثابت لفترة محددة (حوالي 16 ساعة من سعة البطارية الحالية 0.1) ؛
- الشحن باستخدام تيار تنحي إلى قيمة فرق محتمل محددة مسبقًا ؛
- استخدام التيارات غير المتوازنة ؛
- تطبيق متتالي للنبضات القصيرة للشحن والتفريغ حيث يتجاوز وقت الأول زمن الثاني
عمل عملي
المهمة المقترحة: تحديد المقاومة الداخلية للمصدر الحالي و EMF.
للقيام بذلك ، تحتاج إلى تخزين مصدر حالي ، مقياس التيار ، الفولتميتر ، متغير متغير ، مفتاح ، مجموعة من الموصلات.
استخدام قانون أوم للدائرة المغلقة سيحدد المقاومة الداخلية للمصدر الحالي. للقيام بذلك ، تحتاج إلى معرفة EMF الخاص به ، قيمة مقاومة مقاومة متغيرة.
يمكن تحديد صيغة حساب المقاومة الحالية في الجزء الخارجي من الدائرة من قانون أوم لقسم الدائرة:
أنا=U: R ،
حيث أنا هي القوة الحالية في الجزء الخارجي من الدائرة ، مقاسة بمقياس التيار ؛ ش - الجهد الخارجيمقاومة
لتحسين الدقة ، يتم أخذ القياسات 5 مرات على الأقل. لما هذا؟ يتم استخدام الجهد والمقاومة والتيار (أو بالأحرى ، القوة الحالية) التي تم قياسها أثناء التجربة أدناه.
لتحديد EMF للمصدر الحالي ، نستخدم حقيقة أن الجهد عند أطرافه مع فتح المفتاح يساوي تقريبًا EMF.
دعونا نجمع دائرة من بطارية ، مقاومة متغيرة ، مقياس التيار الكهربائي ، مفتاح متصل في سلسلة. نقوم بتوصيل الفولتميتر بأطراف المصدر الحالي. بعد فتح المفتاح نأخذ قراءاته
المقاومة الداخلية ، التي يتم الحصول على صيغتها من قانون أوم لدائرة كاملة ، يتم تحديدها من خلال الحسابات الرياضية:
- أنا=E: (ص + ص).
- r=E: I - U: I.
تظهر القياسات أن المقاومة الداخلية أقل بكثير من المقاومة الخارجية
تستخدم الوظيفة العملية للبطاريات والبطاريات القابلة لإعادة الشحن على نطاق واسع. إن السلامة البيئية التي لا جدال فيها للمحركات الكهربائية أمر لا شك فيه ، ولكن إنشاء بطارية رحبة ومريحة يمثل مشكلة في الفيزياء الحديثة. سيؤدي حلها إلى جولة جديدة في تطوير تكنولوجيا السيارات.
البطاريات الصغيرة وخفيفة الوزن وعالية السعة ضرورية أيضًا في الأجهزة الإلكترونية المحمولة. كمية الطاقة المستخدمة فيها مرتبطة بشكل مباشر بأداء الأجهزة.
