Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes entsteht im Leiter elektrischer Strom, der freie geladene Teilchen in eine gerichtete Bewegung zwingt. Das Erzeugen eines Teilchenstroms ist ein ernsthaftes Problem. Ein solches Gerät zu bauen, das die Potenzialdifferenz des Feldes für lange Zeit in einem Zustand hält, ist eine Aufgabe, die die Menschheit erst Ende des 18. Jahrhunderts lösen konnte.
Erste Versuche
Die ersten Versuche, "Strom zu akkumulieren" für seine weitere Erforschung und Nutzung, wurden in Holland unternommen. Der Deutsche Ewald Jürgen von Kleist und der Niederländer Peter van Muschenbrook, die in der Stadt Leiden forschten, schufen den weltweit ersten Kondensator, der später "Leydener Krug" genannt wurde.
Die Akkumulation elektrischer Ladung hat bereits unter Einwirkung mechanischer Reibung stattgefunden. Es war möglich, eine Entladung durch einen Leiter für eine gewisse, ziemlich kurze Zeit zu verwenden.
Der Sieg des menschlichen Geistes über eine so vergängliche Substanz wie Elektrizität erwies sich als revolutionär.
Leider Entladung (elektrischer Strom, der von einem Kondensator erzeugt wird)dauerte so kurz, dass es keinen Gleichstrom erzeugen konnte. Außerdem wird die vom Kondensator gelieferte Spannung allmählich reduziert, wodurch es unmöglich wird, einen kontinuierlichen Strom zu erh alten.
Ich hätte nach einem anderen Weg suchen sollen.
Erste Quelle
Italian Galvanis „tierische Elektrizitäts“-Experimente waren ein origineller Versuch, eine natürliche Stromquelle in der Natur zu finden. Indem er die Beine sezierter Frösche an Metallhaken eines Eisengitters hängte, machte er auf die charakteristische Reaktion von Nervenenden aufmerksam.
Allerdings widerlegte ein anderer Italiener, Alessandro Volta, Galvanis Schlussfolgerungen. An der Möglichkeit interessiert, Strom aus tierischen Organismen zu gewinnen, führte er eine Reihe von Experimenten mit Fröschen durch. Aber seine Schlussfolgerung stellte sich als das komplette Gegenteil der vorherigen Hypothesen heraus.
Volta machte darauf aufmerksam, dass ein lebender Organismus nur ein Indikator für eine elektrische Entladung ist. Wenn der Strom fließt, ziehen sich die Muskeln der Beine zusammen, was auf eine Potentialdifferenz hinweist. Die Quelle des elektrischen Feldes war der Kontakt unterschiedlicher Metalle. Je weiter sie in einer Reihe chemischer Elemente voneinander entfernt sind, desto größer ist die Wirkung.
Platten aus unterschiedlichen Metallen, die mit in Elektrolytlösung getränkten Papierscheiben belegt wurden, erzeugten lange Zeit die notwendige Potentialdifferenz. Und sei niedrig (1,1 V), aber der elektrische Strom könnte lange untersucht werden. Hauptsache, die Spannung blieb genauso lange unverändert.
Was ist los
Warum verursachen Quellen, die "galvanische Zellen" genannt werden, einen solchen Effekt?
Zwei Metallelektroden in einem Dielektrikum spielen unterschiedliche Rollen. Der eine liefert Elektronen, der andere nimmt sie auf. Der Redoxreaktionsprozess führt zum Auftreten eines Elektronenüberschusses an einer Elektrode, die als negativer Pol bezeichnet wird, und zu einem Mangel an der zweiten, wir werden ihn als positiven Pol der Quelle bezeichnen.
In den einfachsten galvanischen Zellen finden an einer Elektrode Oxidationsreaktionen und an der anderen Reduktionsreaktionen statt. Elektronen kommen von außerhalb des Stromkreises zu den Elektroden. Der Elektrolyt ist der Stromleiter der Ionen innerhalb der Quelle. Die Stärke des Widerstands bestimmt die Dauer des Prozesses.
Kupfer-Zink-Element
Das Funktionsprinzip galvanischer Zellen ist interessant am Beispiel einer Kupfer-Zink-Galvanikzelle zu betrachten, deren Wirkung auf der Energie von Zink und Kupfersulfat beruht. Bei dieser Quelle wird eine Kupferplatte in eine Kupfersulfatlösung gelegt und eine Zinkelektrode in eine Zinksulfatlösung getaucht. Lösungen werden durch einen porösen Abstandsh alter getrennt, um ein Vermischen zu verhindern, müssen aber in Kontakt sein.
Wenn der Stromkreis geschlossen ist, wird die Oberflächenschicht aus Zink oxidiert. Bei der Wechselwirkung mit der Flüssigkeit erscheinen in der Lösung Zinkatome, die sich in Ionen verwandelt haben. An der Elektrode werden Elektronen freigesetzt, die an der Stromerzeugung teilnehmen können.
An der Kupferelektrode angekommen nehmen die Elektronen an der Reduktionsreaktion teil. AusLösung, Kupferionen dringen in die Oberflächenschicht ein, verwandeln sich bei der Reduktion in Kupferatome und lagern sich auf der Kupferplatte ab.
Um zusammenzufassen, was passiert: Der Betrieb einer galvanischen Zelle wird begleitet von der Übertragung von Elektronen vom Reduktionsmittel zum Oxidationsmittel entlang des äußeren Teils des Stromkreises. An beiden Elektroden finden Reaktionen statt. Innerhalb der Quelle fließt ein Ionenstrom.
Nutzungsschwierigkeiten
Im Prinzip können alle möglichen Redoxreaktionen in Batterien genutzt werden. Aber es gibt nicht so viele Substanzen, die in technisch wertvollen Elementen arbeiten können. Außerdem erfordern viele Reaktionen teure Substanzen.
Moderne Batterien sind einfacher aufgebaut. Zwei Elektroden in einem Elektrolyten füllen das Gefäß - das Batteriegehäuse. Solche Konstruktionsmerkmale vereinfachen die Struktur und reduzieren die Batteriekosten.
Jede galvanische Zelle kann Gleichstrom erzeugen.
Der Widerstand des Stroms lässt nicht zu, dass alle Ionen gleichzeitig auf den Elektroden sind, daher arbeitet das Element lange. Chemische Reaktionen der Ionenbildung hören früher oder später auf, das Element wird entladen.
Der Innenwiderstand einer Stromquelle ist wichtig.
Ein bisschen über Widerstand
Die Nutzung des elektrischen Stroms hat zweifelsohne den wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt auf eine neue Ebene gebracht und ihm einen enormen Schub gegeben. Aber die Widerstandskraft gegen den Stromfluss steht einer solchen Entwicklung im Wege.
Einerseits hat elektrischer Strom unschätzbare Eigenschaften, die im Alltag und in der Technik genutzt werden, andererseits gibt es erhebliche Widerstände. Die Physik als Naturwissenschaft versucht einen Ausgleich zu finden, diese Verhältnisse in Einklang zu bringen.
Stromwiderstand entsteht durch die Wechselwirkung elektrisch geladener Teilchen mit der Substanz, durch die sie sich bewegen. Dieser Vorgang ist unter normalen Temperaturverhältnissen nicht auszuschließen.
Widerstand
Der Innenwiderstand der Stromquelle und der Widerstand des äußeren Teils des Stromkreises sind etwas unterschiedlicher Natur, aber gleich ist bei diesen Prozessen die Arbeit, die zum Bewegen der Ladung aufgewendet wird.
Die Arbeit selbst hängt nur von den Eigenschaften der Quelle und ihrem Inh alt ab: den Eigenschaften der Elektroden und des Elektrolyten sowie der äußeren Teile des Stromkreises, dessen Widerstand von den geometrischen Parametern und der Chemikalie abhängt Eigenschaften des Materials. Beispielsweise nimmt der Widerstand eines Metalldrahtes mit zunehmender Länge zu und mit zunehmender Querschnittsfläche ab. Bei der Lösung des Problems, wie der Widerstand verringert werden kann, empfiehlt die Physik die Verwendung spezieller Materialien.
Arbeitsstrom
Gemäß dem Joule-Lenz-Gesetz ist die in Leitern freigesetzte Wärmemenge proportional zum Widerstand. Bezeichnen wir die Wärmemenge mit Qint., die Stromstärke I, die Zeit seines Fließens t, dann erh alten wir:
Qint=I2 · r t,
wobei r der Innenwiderstand der Quelle istaktuell.
Im gesamten Kreislauf, einschließlich seiner internen und externen Teile, wird die gesamte Wärmemenge freigesetzt, deren Formel lautet:
Qvoll=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Wie der Widerstand in der Physik bezeichnet wird, ist bekannt: Ein äußerer Stromkreis (alle Elemente außer der Quelle) hat den Widerstand R.
Ohmsches Gesetz für einen vollständigen Stromkreis
Berücksichtigen Sie, dass die Hauptarbeit von externen Kräften innerhalb der Stromquelle geleistet wird. Sein Wert ist gleich dem Produkt aus der vom Feld getragenen Ladung und der elektromotorischen Kraft der Quelle:
q E=I2 (r + R) t.
mit der Erkenntnis, dass die Ladung gleich dem Produkt aus der Stromstärke und der Zeit ihres Flusses ist, haben wir:
E=I (r + R)
Nach Ursache-Wirkungs-Beziehungen hat das Ohmsche Gesetz die Form:
I=E: (r + R)
Der Strom in einem geschlossenen Stromkreis ist direkt proportional zur EMF der Stromquelle und umgekehrt proportional zum Gesamtwiderstand des Stromkreises.
Anhand dieses Musters lässt sich der Innenwiderstand der Stromquelle bestimmen.
Entladekapazität der Quelle
Die Entladekapazität kann auch auf die Haupteigenschaften der Quellen zurückgeführt werden. Die maximale Strommenge, die unter bestimmten Betriebsbedingungen gewonnen werden kann, hängt von der Stärke des Entladestroms ab.
Im Idealfall kann bei gewissen Näherungen die Entladekapazität als konstant angesehen werden.
KBeispielsweise hat eine Standardbatterie mit einer Potentialdifferenz von 1,5 V eine Entladekapazität von 0,5 Ah. Wenn der Entladestrom 100 mA beträgt, funktioniert er 5 Stunden lang.
Methoden zum Laden von Batterien
Ausbeutung von Batterien führt zu deren Entladung. Die Wiederherstellung von Batterien, das Laden von kleinen Zellen erfolgt mit einem Strom, dessen Stärkewert ein Zehntel der Quellenkapazität nicht überschreitet.
Folgende Lademethoden stehen zur Verfügung:
- mit konstantem Strom für eine bestimmte Zeit (ca. 16 Stunden Strom 0,1 Batteriekapazität);
- Laden mit einem heruntergesetzten Strom auf einen vorbestimmten Potentialdifferenzwert;
- Verwendung unsymmetrischer Ströme;
- aufeinanderfolgendes Anlegen von kurzen Lade- und Entladeimpulsen, bei denen die Zeit des ersten die Zeit des zweiten überschreitet.
Praktische Arbeit
Die Aufgabe wird vorgeschlagen: den Innenwiderstand der Stromquelle und der EMF zu bestimmen.
Um es auszuführen, müssen Sie sich mit einer Stromquelle, einem Amperemeter, einem Voltmeter, einem Schieberegler, einem Schlüssel und einem Satz Leitern eindecken.
Die Verwendung des Ohmschen Gesetzes für einen geschlossenen Stromkreis bestimmt den Innenwiderstand der Stromquelle. Dazu müssen Sie seine EMF kennen, den Wert des Widerstands des Rheostats.
Die Berechnungsformel für den Stromwiderstand im äußeren Teil des Stromkreises lässt sich aus dem Ohmschen Gesetz für den Stromkreisabschnitt ermitteln:
I=U: R,
wobei I die Stromstärke im äußeren Teil des Stromkreises ist, gemessen mit einem Amperemeter; U - Spannung auf der externenWiderstand.
Um die Genauigkeit zu verbessern, wird mindestens 5 Mal gemessen. Wofür ist das? Die während des Experiments gemessene Spannung, der Widerstand, der Strom (oder vielmehr die Stromstärke) werden unten verwendet.
Um die EMK der Stromquelle zu bestimmen, verwenden wir die Tatsache, dass die Spannung an ihren Klemmen bei geöffnetem Schlüssel fast gleich der EMK ist.
Lassen Sie uns eine Sch altung aus einer Batterie, einem Rheostat, einem Amperemeter und einem in Reihe gesch alteten Schlüssel zusammenbauen. Wir schließen ein Voltmeter an die Klemmen der Stromquelle an. Nachdem wir den Schlüssel geöffnet haben, lesen wir ihn ab.
Der Innenwiderstand, dessen Formel sich aus dem Ohmschen Gesetz für einen vollständigen Stromkreis ergibt, wird durch mathematische Berechnungen bestimmt:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Messungen zeigen, dass der Innenwiderstand viel geringer ist als der Außenwiderstand.
Die praktische Funktion von Akkus und Batterien ist weit verbreitet. Die unbestreitbare Umweltverträglichkeit von Elektromotoren steht außer Zweifel, aber die Schaffung einer geräumigen, ergonomischen Batterie ist ein Problem der modernen Physik. Seine Lösung wird zu einer neuen Runde in der Entwicklung der Automobiltechnik führen.
Kleine, leichte Akkus mit hoher Kapazität sind auch in mobilen elektronischen Geräten unerlässlich. Die darin verbrauchte Energiemenge steht in direktem Zusammenhang mit der Leistung der Geräte.
