Prąd elektryczny, źródła prądu elektrycznego: definicja i istota

2024 Autor: Henry Conors | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-02-12 11:50

Z kursu fizyki wszyscy wiedzą, że prąd elektryczny oznacza ukierunkowany, uporządkowany ruch cząstek niosących ładunek. Aby to uzyskać, w przewodniku powstaje pole elektryczne. To samo jest konieczne, aby prąd elektryczny istniał przez długi czas.

Źródła prądu elektrycznego mogą być:

• static;
• chemiczne;
• mechaniczny;
• półprzewodnik.

W każdym z nich wykonywana jest praca, w której oddzielane są różnie naładowane cząstki, czyli powstaje pole elektryczne źródła prądu. Oddzielone, gromadzą się na biegunach, w miejscach połączenia przewodów. Kiedy bieguny są połączone przewodem, cząstki z ładunkiem zaczynają się poruszać i powstaje prąd elektryczny.

Źródła prądu elektrycznego: wynalezienie maszyny elektrycznej

Do połowy XVII wieku zajęło to dużostarania. Jednocześnie rośnie liczba naukowców zajmujących się tym zagadnieniem. I tak Otto von Guericke wynalazł pierwszy na świecie samochód elektryczny. W jednym z eksperymentów z siarką roztopiła się ona w wydrążonej szklanej kuli, stwardniała i rozbiła szkło. Guericke wzmocnił piłkę tak, aby można było ją przekręcić. Obracając go i naciskając kawałek skóry, dostał iskrę. To tarcie znacznie ułatwiło krótkotrwałe wytwarzanie energii elektrycznej. Jednak trudniejsze problemy zostały rozwiązane dopiero wraz z dalszym rozwojem nauki.

Problem polegał na tym, że podopieczne Guerike szybko zniknęły. Aby wydłużyć czas ładowania, ciała umieszczano w zamkniętych naczyniach (szklanych butelkach), a naelektryzowanym materiałem była woda z gwoździem. Eksperyment został zoptymalizowany, gdy butelkę pokryto z obu stron materiałem przewodzącym (na przykład arkusze folii). W rezultacie zdali sobie sprawę, że można się obejść bez wody.

Żabie udka jako źródło zasilania

Inny sposób generowania elektryczności został po raz pierwszy odkryty przez Luigi Galvani. Jako biolog pracował w laboratorium, gdzie eksperymentowali z elektrycznością. Widział, jak noga martwej żaby skurczyła się, gdy została podekscytowana iskrą z maszyny. Ale pewnego dnia ten sam efekt został osiągnięty przez przypadek, gdy naukowiec dotknął jej stalowym skalpelem.

Zaczął szukać przyczyn, z których pochodzi prąd elektryczny. Źródła prądu elektrycznego, zgodnie z jego ostatecznym wnioskiem, znajdowały się w tkankach żaby.

Inny Włoch, Alessandro Volto, dowiódł porażki „żabiej” natury prądu. Zaobserwowano, że największy prądpowstały po dodaniu miedzi i cynku do roztworu kwasu siarkowego. Ta kombinacja nazywana jest ogniwem galwanicznym lub chemicznym.

Ale użycie takiego narzędzia do uzyskania pola elektromagnetycznego byłoby zbyt kosztowne. Dlatego naukowcy pracują nad innym, mechanicznym sposobem wytwarzania energii elektrycznej.

Jak działa zwykły generator?

Na początku XIX wieku G. H. Oersted odkrył, że kiedy prąd przepływa przez przewodnik, powstaje pole pochodzenia magnetycznego. Nieco później Faraday odkrył, że kiedy linie siły tego pola krzyżują się, w przewodniku indukowana jest siła elektromotoryczna, która powoduje prąd. Pole elektromagnetyczne zmienia się w zależności od prędkości ruchu i samych przewodników, a także siły pola. Podczas przekraczania stu milionów linii siły na sekundę, indukowane pole elektromagnetyczne stało się równe jednemu woltowi. Oczywiste jest, że ręczne przewodzenie w polu magnetycznym nie jest w stanie wytworzyć dużego prądu elektrycznego. Tego rodzaju źródła prądu elektrycznego okazały się znacznie skuteczniejsze, nawijając drut na dużą cewkę lub wytwarzając go w postaci bębna. Cewka została zamontowana na wale pomiędzy magnesem a obracającą się wodą lub parą. Takie mechaniczne źródło prądu jest nieodłącznym elementem konwencjonalnych generatorów.

Wspaniała Tesla

Genialny naukowiec z Serbii Nikola Tesla, poświęcając swoje życie elektryczności, dokonał wielu odkryć, z których korzystamy do dziś. Wielofazowe maszyny elektryczne, asynchroniczne silniki elektryczne, przenoszenie mocy prądem przemiennym wielofazowym - to nie jest cała lista.wynalazki wielkiego naukowca.

Wielu uważa, że zjawisko na Syberii, zwane meteorytem tunguskim, zostało w rzeczywistości spowodowane przez Teslę. Ale być może jednym z najbardziej tajemniczych wynalazków jest transformator, który może odbierać napięcie do piętnastu milionów woltów. Niezwykłe jest zarówno jego urządzenie, jak i obliczenia, które nie poddają się znanym prawom. Ale w tamtych czasach zaczęli rozwijać technologię próżniową, w której nie było dwuznaczności. Dlatego wynalazek naukowca został na chwilę zapomniany.

Ale dzisiaj, wraz z pojawieniem się fizyki teoretycznej, ponownie zainteresowano się jego pracą. Eter uznano za gaz, do którego odnoszą się wszystkie prawa mechaniki gazowej. To właśnie stamtąd czerpał energię wielki Tesla. Warto zauważyć, że teoria eteru była w przeszłości bardzo powszechna wśród wielu naukowców. Dopiero wraz z pojawieniem się SRT – szczególnej teorii względności Einsteina, w której obalił on istnienie eteru – zapomniano o tym, chociaż sformułowana później ogólna teoria nie kwestionowała jej jako takiej.

Ale na razie zajmijmy się prądem elektrycznym i urządzeniami, które są dziś wszechobecne.

Rozwój urządzeń technicznych - aktualne źródła

Takie urządzenia służą do przekształcania różnych energii w energię elektryczną. Pomimo tego, że fizyczne i chemiczne metody wytwarzania energii elektrycznej zostały odkryte dawno temu, rozpowszechniły się dopiero w drugiej połowie XX wieku, kiedy zaczęła się ona szybko rozwijać.elektronika radiowa. Pierwotne pięć par galwanicznych zostało uzupełnionych o 25 kolejnych typów. A teoretycznie może być kilka tysięcy par galwanicznych, ponieważ swobodną energię można zrealizować na dowolnym utleniaczu i reduktorze.

Fizyczne źródła prądu

Fizyczne źródła prądowe zaczęły się rozwijać nieco później. Nowoczesna technologia stawiała coraz bardziej rygorystyczne wymagania, a przemysłowe generatory cieplne i termionowe z powodzeniem radziły sobie z rosnącymi zadaniami. Fizyczne źródła prądu to urządzenia, w których energia cieplna, elektromagnetyczna, mechaniczna, radiacyjna i jądrowa jest zamieniana na energię elektryczną. Oprócz tego są to również maszyny elektryczne, generatory MHD, a także służące do konwersji promieniowania słonecznego i rozpadu atomowego.

Aby prąd elektryczny w przewodniku nie zniknął, potrzebne jest zewnętrzne źródło, aby utrzymać różnicę potencjałów na końcach przewodnika. W tym celu wykorzystywane są źródła energii, które mają pewną siłę elektromotoryczną, aby stworzyć i utrzymać różnicę potencjałów. EMF źródła prądu elektrycznego mierzy się na podstawie pracy wykonanej przez przeniesienie ładunku dodatniego w obwodzie zamkniętym.

Oporność wewnątrz źródła prądu charakteryzuje je ilościowo, określając wielkość strat energii podczas przechodzenia przez źródło.

Moc i sprawność są równe stosunkowi napięcia w zewnętrznym obwodzie elektrycznym do siły elektromotorycznej.

Źródła chemiczneobecny

Chemiczne źródło prądu w obwodzie elektrycznym EMF to urządzenie, w którym energia reakcji chemicznych jest zamieniana na energię elektryczną.

Opiera się na dwóch elektrodach: ujemnie naładowanym środku redukującym i dodatnio naładowanym środku utleniającym, które stykają się z elektrolitem. Pomiędzy elektrodami powstaje różnica potencjałów, EMF.

Nowoczesne urządzenia często używają:

• jako reduktor - ołów, kadm, cynk i inne;
• utleniacz - wodorotlenek niklu, tlenek ołowiu, mangan i inne;
• elektrolit - roztwory kwasów, zasad lub soli.

Suche ogniwa cynkowe i manganowe są szeroko stosowane. Pobiera się naczynie wykonane z cynku (z elektrodą ujemną). W środku umieszczona jest elektroda dodatnia z mieszaniną dwutlenku manganu z proszkiem węglowym lub grafitowym, co zmniejsza opór. Elektrolit to pasta z amoniaku, skrobi i innych składników.

Akumulator kwasowo-ołowiowy jest najczęściej wtórnym źródłem prądu chemicznego w obwodzie elektrycznym, o dużej mocy, stabilnej pracy i niskich kosztach. Baterie tego typu są używane w różnych obszarach. Są one często preferowane do akumulatorów rozruchowych, które są szczególnie cenne w samochodach, w których generalnie mają monopol.

Kolejna popularna bateria składa się z żelaza (anody), hydratu tlenku niklu (katody) i elektrolitu - wodnego roztworu potasu lub sodu. Aktywny materiał jest umieszczony w niklowanych stalowych rurkach.

Użycie tego gatunku spadło po pożarze fabryki Edisona w 1914 roku. Jeśli jednak porównamy charakterystykę pierwszego i drugiego typu akumulatorów, okazuje się, że działanie żelazowo-niklowe może być wielokrotnie dłuższe niż kwasowo-ołowiowe.

Generatory prądu stałego i przemiennego

Generatory to urządzenia, które mają na celu zamianę energii mechanicznej na energię elektryczną.

Najprostszy generator prądu stałego można przedstawić jako ramę z przewodnika, która została umieszczona między biegunami magnetycznymi, a końce połączone są z izolowanymi półpierścieniami (kolektorem). Aby urządzenie działało, konieczne jest zapewnienie obrotu ramy z kolektorem. Wówczas zostanie w nim zaindukowany prąd elektryczny, zmieniający swój kierunek pod wpływem linii pola magnetycznego. W zewnętrznym łańcuchu będzie szedł w jednym kierunku. Okazuje się, że kolektor wyprostuje prąd przemienny generowany przez ramę. Aby uzyskać stały prąd, kolektor składa się z trzydziestu sześciu lub więcej płyt, a przewodnik składa się z wielu ramek w postaci uzwojenia twornika.

Zastanówmy się, do czego służy źródło prądu w obwodzie elektrycznym. Dowiedzmy się, jakie istnieją inne aktualne źródła.

Obwód elektryczny: prąd elektryczny, siła prądu, źródło prądu

Obwód elektryczny składa się ze źródła prądu, które wraz z innymi obiektami tworzy ścieżkę dla prądu. A pojęcia EMF, prądu i napięcia ujawniają procesy elektromagnetyczne zachodzące w tym przypadku.

Najprostszy obwód elektryczny składa się ze źródła prądu (akumulatora, ogniwa galwanicznego, generatora itp.), odbiorników energii (grzałek elektrycznych, silników elektrycznych itp.), a także przewodów łączących zaciski napięcia źródło i konsument.

Obwód elektryczny ma części wewnętrzne (źródło energii elektrycznej) i zewnętrzne (przewody, przełączniki i przełączniki, przyrządy pomiarowe).

Zadziała i będzie mieć wartość dodatnią tylko wtedy, gdy zapewniony jest obwód zamknięty. Każda przerwa powoduje zatrzymanie przepływu prądu.

Obwód elektryczny składa się ze źródła prądu w postaci ogniw galwanicznych, akumulatorów elektrycznych, generatorów elektromechanicznych i termoelektrycznych, fotokomórek itd.

Silniki elektryczne działają jak odbiorniki energii elektrycznej, które przekształcają energię w urządzenia mechaniczne, oświetleniowe i grzewcze, instalacje do elektrolizy i tak dalej.

Sprzęt pomocniczy to urządzenia służące do włączania i wyłączania, przyrządy pomiarowe i mechanizmy ochronne.

Wszystkie komponenty są podzielone na:

• aktywny (gdzie obwód elektryczny składa się ze źródła prądu EMF, silników elektrycznych, akumulatorów itd.);
• pasywny (obejmujący odbiorniki elektryczne i okablowanie połączeniowe).

Łańcuch może być również:

• liniowy, gdzie opór elementu zawsze charakteryzuje się linią prostą;
• nieliniowe, gdzie opór zależy odnapięcie lub prąd.

Oto najprostszy obwód, w którym źródło prądu, klucz, lampa elektryczna, reostat są zawarte w obwodzie.

Pomimo wszechobecności takich urządzeń technicznych, szczególnie w ostatnim czasie, ludzie coraz częściej zadają pytania dotyczące instalowania alternatywnych źródeł energii.

Różnorodność źródeł energii elektrycznej

Jakie źródła prądu elektrycznego nadal istnieją? To nie tylko słońce, wiatr, ziemia i pływy. Stały się już tak zwanymi oficjalnymi alternatywnymi źródłami energii elektrycznej.

Muszę powiedzieć, że istnieje wiele alternatywnych źródeł. Nie są powszechne, bo nie są jeszcze praktyczne i wygodne. Ale kto wie, może przyszłość będzie tuż za nimi.

Tak więc energię elektryczną można uzyskać ze słonej wody. Norwegia zbudowała już elektrownię w tej technologii.

Elektrownie mogą również działać na ogniwach paliwowych ze stałym elektrolitem tlenkowym.

Wiadomo, że generatory piezoelektryczne są zasilane energią kinetyczną (ścieżki, progi zwalniające, kołowroty, a nawet parkiety taneczne już istnieją w tej technologii).

Istnieją również nanogeneratory, których celem jest przekształcanie energii w ludzkim ciele w energię elektryczną.

A co z glonami używanymi do ogrzewania domów, futbolowymi mieczami, które generująenergia elektryczna, rowery, które mogą ładować gadżety, a nawet drobno pocięty papier używany jako źródło zasilania?

Oczywiście ogromne perspektywy wiążą się z rozwojem energii wulkanicznej.

Wszystko to jest dzisiejszą rzeczywistością, nad którą pracują naukowcy. Niewykluczone, że niektóre z nich wkrótce staną się zupełnie powszechne, tak jak dziś elektryczność w domach.

Może ktoś odkryje tajemnice naukowca Nikoli Tesli i ludzkość będzie mogła bez problemu odbierać prąd z eteru?