გამტარში ელექტრული დენი წარმოიქმნება ელექტრული ველის გავლენის ქვეშ და აიძულებს თავისუფალ დამუხტულ ნაწილაკებს მიმართულ მოძრაობაში შევიდნენ. ნაწილაკების დენის შექმნა სერიოზული პრობლემაა. ისეთი მოწყობილობის შექმნა, რომელიც დიდხანს შეინარჩუნებს ველის პოტენციურ განსხვავებას ერთ სახელმწიფოში, არის ამოცანა, რომლის გადაჭრაც კაცობრიობას მხოლოდ მე-18 საუკუნის ბოლოს შეეძლო.
პირველი ცდა
პირველი მცდელობები "ელექტროენერგიის დაგროვების" შემდგომი კვლევისა და გამოყენებისთვის განხორციელდა ჰოლანდიაში. გერმანელმა ევალდ იურგენ ფონ კლაისტმა და ჰოლანდიელმა პიტერ ვან მუშენბრუკმა, რომლებმაც თავიანთი კვლევები ჩაატარეს ქალაქ ლეიდენში, შექმნეს მსოფლიოში პირველი კონდენსატორი, რომელსაც მოგვიანებით "ლეიდენის ქილა" უწოდეს..
ელექტრული მუხტის დაგროვება უკვე მოხდა მექანიკური ხახუნის მოქმედების ქვეშ. შესაძლებელი იყო გამტარის მეშვეობით გამონადენის გამოყენება გარკვეული, საკმაოდ მოკლე დროის განმავლობაში.
ადამიანის გონების გამარჯვება ისეთ ეფემერულ ნივთიერებაზე, როგორიცაა ელექტროენერგია, რევოლუციური აღმოჩნდა.
სამწუხაროდ, გამონადენი (ელექტრული დენი წარმოქმნილი კონდენსატორის მიერ)იმდენად ხანმოკლე გრძელდებოდა, რომ პირდაპირი დენი ვერ შექმნა. გარდა ამისა, კონდენსატორის მიერ მიწოდებული ძაბვა თანდათან მცირდება, რაც შეუძლებელს ხდის უწყვეტი დენის მიღებას.
სხვა გზა უნდა მეძებნა.
პირველი წყარო
იტალიელი გალვანის "ცხოველებზე ელექტროენერგიის" ექსპერიმენტები იყო ორიგინალური მცდელობა ბუნებაში დენის ბუნებრივი წყაროს პოვნისთვის. რკინის გისოსის ლითონის კაუჭებზე ჩამოკიდებული ბაყაყების ფეხები, მან ყურადღება გაამახვილა ნერვული დაბოლოებების დამახასიათებელ რეაქციაზე.
თუმცა, სხვა იტალიელმა, ალესანდრო ვოლტამ, უარყო გალვანის დასკვნები. დაინტერესებული ცხოველური ორგანიზმებიდან ელექტროენერგიის მიღების შესაძლებლობით, მან ჩაატარა ექსპერიმენტების სერია ბაყაყებთან. მაგრამ მისი დასკვნა წინა ჰიპოთეზების სრულიად საპირისპირო აღმოჩნდა.
ვოლტამ ყურადღება გაამახვილა იმ ფაქტზე, რომ ცოცხალი ორგანიზმი მხოლოდ ელექტრული გამონადენის მაჩვენებელია. როდესაც დენი გადის, ფეხების კუნთები იკუმშება, რაც მიუთითებს პოტენციურ განსხვავებაზე. ელექტრული ველის წყარო იყო განსხვავებული ლითონების კონტაქტი. რაც უფრო შორს არიან ისინი ერთმანეთისგან ქიმიურ ელემენტებში, მით უფრო დიდია ეფექტი.
ელექტროლიტის ხსნარში დასველებული ქაღალდის დისკებით დაფენილი განსხვავებული ლითონების ფირფიტები დიდი ხნის განმავლობაში ქმნიდა აუცილებელ პოტენციურ განსხვავებას. და მოდით იყოს დაბალი (1.1 V), მაგრამ ელექტრული დენის გამოკვლევა შეიძლება დიდი ხნის განმავლობაში. მთავარი ის არის, რომ ძაბვა უცვლელი დარჩა ამდენი ხნის განმავლობაში.
რა ხდება
რატომ იწვევენ წყაროები სახელად "გალვანური უჯრედები" ასეთ ეფექტს?
დიელექტრიკში მოთავსებული ორი ლითონის ელექტროდი სხვადასხვა როლს ასრულებს. ერთი აწვდის ელექტრონებს, მეორე იღებს მათ. რედოქსის რეაქციის პროცესი იწვევს ერთ ელექტროდზე ელექტრონების სიჭარბის გამოჩენას, რომელსაც უარყოფით პოლუსს უწოდებენ, ხოლო მეორეზე დეფიციტს, მას წყაროს დადებით პოლუსად აღვნიშნავთ..
უმარტივეს გალვანურ უჯრედებში ჟანგვითი რეაქციები ხდება ერთ ელექტროდზე, ხოლო შემცირების რეაქციები მეორეზე. ელექტრონები მოდიან ელექტროდებში მიკროსქემის გარედან. ელექტროლიტი არის წყაროს შიგნით იონების მიმდინარე გამტარი. წინააღმდეგობის სიძლიერე განაგებს პროცესის ხანგრძლივობას.
სპილენძ-თუთიის ელემენტი
გალვანური უჯრედების მოქმედების პრინციპი საინტერესოა განვიხილოთ სპილენძ-თუთიის გალვანური უჯრედის მაგალითის გამოყენებით, რომლის მოქმედება განპირობებულია თუთიისა და სპილენძის სულფატის ენერგიით. ამ წყაროში სპილენძის ფირფიტა მოთავსებულია სპილენძის სულფატის ხსნარში, ხოლო თუთიის ელექტროდი ჩაეფლო თუთიის სულფატის ხსნარში. ხსნარები გამოყოფილია ფოროვანი დისტანციით შერევის თავიდან ასაცილებლად, მაგრამ უნდა იყოს კონტაქტში.
თუ წრე დახურულია, თუთიის ზედაპირული ფენა იჟანგება. სითხესთან ურთიერთქმედების პროცესში ხსნარში ჩნდება თუთიის ატომები, რომლებიც გადაიქცნენ იონებად. ელექტროდზე გამოიყოფა ელექტრონები, რომლებსაც შეუძლიათ მონაწილეობა მიიღონ დენის წარმოქმნაში.
სპილენძის ელექტროდამდე მოხვედრისას ელექტრონები მონაწილეობენ შემცირების რეაქციაში. დანხსნარი, სპილენძის იონები შედიან ზედაპირულ ფენაში, რედუქციის პროცესში ისინი გადაიქცევიან სპილენძის ატომებად, დეპონირდება სპილენძის ფირფიტაზე.
შესაჯამებლად რა ხდება: გალვანური უჯრედის მოქმედების პროცესს თან ახლავს ელექტრონების გადატანა შემცირების აგენტიდან ჟანგვის აგენტზე მიკროსქემის გარე ნაწილის გასწვრივ. რეაქციები მიმდინარეობს ორივე ელექტროდზე. იონის დენი მიედინება წყაროს შიგნით.
გამოყენების სირთულე
პრინციპში, ნებისმიერი შესაძლო რედოქსის რეაქცია შეიძლება გამოყენებულ იქნას ბატარეებში. მაგრამ არ არის იმდენი ნივთიერება, რომელსაც შეუძლია ტექნიკურად ღირებულ ელემენტებში მუშაობა. მეტიც, ბევრი რეაქცია მოითხოვს ძვირადღირებულ ნივთიერებებს.
თანამედროვე ბატარეებს უფრო მარტივი სტრუქტურა აქვთ. ერთ ელექტროლიტში მოთავსებული ორი ელექტროდი ავსებს ჭურჭელს - აკუმულატორის ყუთს. ასეთი დიზაინის მახასიათებლები ამარტივებს სტრუქტურას და ამცირებს ბატარეების ღირებულებას.
ნებისმიერ გალვანურ უჯრედს შეუძლია პირდაპირი დენის გამომუშავება.
დენის წინააღმდეგობა არ იძლევა საშუალებას, რომ ყველა იონი იყოს ელექტროდებზე ერთდროულად, ამიტომ ელემენტი დიდხანს მუშაობს. იონების წარმოქმნის ქიმიური რეაქციები ადრე თუ გვიან ჩერდება, ელემენტი იხსნება.
მნიშვნელოვანია დენის წყაროს შიდა წინააღმდეგობა.
ცოტა წინააღმდეგობის შესახებ
ელექტრული დენის გამოყენებამ, უეჭველია, სამეცნიერო და ტექნოლოგიური პროგრესი ახალ დონეზე მიიყვანა, გიგანტური სტიმული მისცა მას. მაგრამ დენის ნაკადის წინააღმდეგობის ძალა ხელს უშლის ამ განვითარებას.
ერთის მხრივ, ელექტრო დენს აქვს ფასდაუდებელი თვისებები, რომლებიც გამოიყენება ყოველდღიურ ცხოვრებაში და ტექნოლოგიაში, მეორეს მხრივ, არის მნიშვნელოვანი წინააღმდეგობა. ფიზიკა, როგორც ბუნების მეცნიერება, ცდილობს დაამყაროს წონასწორობა, მოახდინოს ეს გარემოებები შესაბამისობაში.
მიმდინარე წინააღმდეგობა წარმოიქმნება ელექტრულად დამუხტული ნაწილაკების იმ ნივთიერებასთან ურთიერთქმედების გამო, რომლითაც ისინი მოძრაობენ. ამ პროცესის გამორიცხვა ნორმალური ტემპერატურის პირობებში შეუძლებელია.
წინააღმდეგობა
დენის წყაროს შიდა წინააღმდეგობა და მიკროსქემის გარე ნაწილის წინააღმდეგობა ოდნავ განსხვავებული ხასიათისაა, მაგრამ ამ პროცესებში იგივეა სამუშაო მუხტის გადასატანად.
სამუშაო თავად დამოკიდებულია მხოლოდ წყაროს თვისებებზე და მის შინაარსზე: ელექტროდებისა და ელექტროლიტების თვისებებზე, აგრეთვე მიკროსქემის გარე ნაწილებზე, რომელთა წინააღმდეგობა დამოკიდებულია გეომეტრიულ პარამეტრებზე და ქიმიურზე. მასალის მახასიათებლები. მაგალითად, ლითონის მავთულის წინააღმდეგობა იზრდება მისი სიგრძის მატებასთან ერთად და მცირდება კვეთის ფართობის გაფართოებით. წინააღმდეგობის შემცირების პრობლემის გადაჭრისას, ფიზიკა გვირჩევს სპეციალიზებული მასალების გამოყენებას.
სამუშაო მიმდინარე
ჯოულ-ლენცის კანონის შესაბამისად, გამტარებში გამოთავისუფლებული სითბოს რაოდენობა წინააღმდეგობის პროპორციულია. თუ სითბოს რაოდენობას დავნიშნავთ Qინტ., დენის I სიძლიერე, მისი დინების დრო t, მაშინ მივიღებთ:
Qint=I2 · რ t,
სადაც r არის წყაროს შიდა წინააღმდეგობამიმდინარე.
მთელ წრეში, როგორც შიდა, ასევე გარე ნაწილების ჩათვლით, გამოიყოფა სითბოს მთლიანი რაოდენობა, რომლის ფორმულა არის:
Qსრული=I2 · რ t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
ცნობილია, თუ როგორ აღნიშნავენ წინააღმდეგობას ფიზიკაში: გარე წრედს (ყველა ელემენტს წყაროს გარდა) აქვს წინააღმდეგობა R.
ომის კანონი სრული წრედისთვის
გაითვალისწინეთ, რომ ძირითად სამუშაოს ასრულებენ გარე ძალები მიმდინარე წყაროს შიგნით. მისი მნიშვნელობა უდრის ველის მიერ გადატანილი მუხტის ნამრავლს და წყაროს ელექტრომამოძრავებელ ძალას:
q E=I2 (r + R) t.
გაცნობიერებით, რომ მუხტი უდრის დენის სიძლიერის ნამრავლს და მისი დინების დროს, გვაქვს:
E=I (r + R)
მიზეზ-შედეგობრივი კავშირების მიხედვით, ომის კანონს აქვს ფორმა:
I=E: (r + R)
დენი დახურულ წრეში პირდაპირპროპორციულია დენის წყაროს EMF-ის და უკუპროპორციულია მიკროსქემის მთლიანი (საერთო) წინააღმდეგობისა.
ამ ნიმუშის საფუძველზე შესაძლებელია მიმდინარე წყაროს შიდა წინააღმდეგობის დადგენა.
წყაროს განმუხტვის მოცულობა
გამშვები სიმძლავრე ასევე შეიძლება მივაწეროთ წყაროების ძირითად მახასიათებლებს. ელექტროენერგიის მაქსიმალური რაოდენობა, რომლის მიღებაც შესაძლებელია გარკვეულ პირობებში მუშაობისას, დამოკიდებულია გამონადენის დენის სიძლიერეზე.
იდეალურ შემთხვევაში, როდესაც ხდება გარკვეული მიახლოებები, განმუხტვის სიმძლავრე შეიძლება ჩაითვალოს მუდმივი.
Kმაგალითად, სტანდარტულ ბატარეას პოტენციური სხვაობით 1.5 V აქვს გამონადენის სიმძლავრე 0.5 Ah. თუ გამონადენი დენი არის 100 mA, მაშინ ის მუშაობს 5 საათის განმავლობაში.
ბატარეების დატენვის მეთოდები
ბატარეების ექსპლუატაცია იწვევს მათ გამონადენს. ბატარეების აღდგენა, მცირე უჯრედების დატენვა ხორციელდება დენის გამოყენებით, რომლის სიმძლავრის მნიშვნელობა არ აღემატება წყაროს სიმძლავრის მეათედს.
ხელმისაწვდომია დატენვის შემდეგი მეთოდები:
- მუდმივი დენის გამოყენება განსაზღვრული დროის განმავლობაში (დაახლოებით 16 საათის მიმდინარე 0.1 ბატარეის სიმძლავრე);
- დატენვა საფეხურით დაწევის დენით წინასწარ განსაზღვრულ პოტენციურ განსხვავებამდე;
- დაბალანსებული დენების გამოყენება;
- დატენვისა და განმუხტვის მოკლე იმპულსების თანმიმდევრული გამოყენება, რომელშიც პირველის დრო აჭარბებს მეორეს.
პრაქტიკული სამუშაო
შემოთავაზებულია დავალება: დადგინდეს მიმდინარე წყაროს შიდა წინააღმდეგობა და EMF.
მის შესასრულებლად, თქვენ უნდა მოაწყოთ დენის წყარო, ამპერმეტრი, ვოლტმეტრი, სლაიდერი რიოსტატი, გასაღები, გამტარების ნაკრები.
ოჰმის კანონის გამოყენება დახურულ წრედისთვის განსაზღვრავს დენის წყაროს შიდა წინააღმდეგობას. ამისათვის თქვენ უნდა იცოდეთ მისი EMF, რეოსტატის წინააღმდეგობის მნიშვნელობა.
სქემის გარე ნაწილში დენის წინააღმდეგობის გაანგარიშების ფორმულა შეიძლება განისაზღვროს მიკროსქემის განყოფილების ოჰმის კანონით:
I=U: R,
სადაც I არის დენის სიძლიერე წრედის გარე ნაწილში, გაზომილი ამპერმეტრით; U - ძაბვა გარეზეწინააღმდეგობა.
სიზუსტის გასაუმჯობესებლად, გაზომვები ტარდება მინიმუმ 5-ჯერ. Რისთვის არის? ექსპერიმენტის დროს გაზომილი ძაბვა, წინააღმდეგობა, დენი (უფრო სწორად, დენის სიძლიერე) გამოყენებულია ქვემოთ.
მიმდინარე წყაროს EMF-ის დასადგენად, ჩვენ ვიყენებთ იმ ფაქტს, რომ მის ტერმინალებზე ძაბვა გახსნილი გასაღებით თითქმის ტოლია EMF-ის.
მოდით ავაწყოთ წრედი ბატარეისგან, რეოსტატიდან, ამპერმეტრიდან, სერიულად დაკავშირებული გასაღებისგან. ჩვენ ვაკავშირებთ ვოლტმეტრს მიმდინარე წყაროს ტერმინალებთან. გასაღების გახსნის შემდეგ ვიღებთ მის კითხვებს.
შიდა წინააღმდეგობა, რომლის ფორმულა მიღებულია ოჰმის კანონით სრული წრედისთვის, განისაზღვრება მათემატიკური გამოთვლებით:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
გაზომვები აჩვენებს, რომ შიდა წინააღმდეგობა გაცილებით ნაკლებია ვიდრე გარე.
დატენვის ბატარეებისა და ბატარეების პრაქტიკული ფუნქცია ფართოდ გამოიყენება. ელექტროძრავების უდავო გარემოსდაცვითი უსაფრთხოება ეჭვგარეშეა, მაგრამ ტევადი, ერგონომიული ბატარეის შექმნა თანამედროვე ფიზიკის პრობლემაა. მისი გადაწყვეტა გამოიწვევს ახალ რაუნდს საავტომობილო ტექნოლოგიების განვითარებაში.
პატარა, მსუბუქი, მაღალი ტევადობის ბატარეები ასევე აუცილებელია მობილურ ელექტრონულ მოწყობილობებში. მათში გამოყენებული ენერგიის რაოდენობა პირდაპირ კავშირშია მოწყობილობების მუშაობასთან.
