Mik a jelenlegi források a fizikában. Elektromos áram, elektromos áramforrások: meghatározás és lényeg

Egy ilyen fogalomnak mint aktuális forrásnak többféle értelmezése van. Az egyik szigorú fizikai definíció, a másik bevett kifejezés, nemcsak a mindennapi környezetben, hanem a szakemberek körében is. Mindkét lehetőségnek joga van létezni, ha a közvetlen utasításokból vagy a szövegkörnyezetből egyértelműen kiderül, hogy melyik definícióra vonatkozik.

Mi az aktuális forrás

A két kifejezés szinonimájaként eltérő jelentéssel bír, bár az elektrotechnikára vonatkoznak. Mit jelentenek:

• Egy elektromos áramkör eleme, amely egyenáramot hoz létre, amelynek értéke nem függ a terhelési ellenállástól és a feszültségtől. Egyenértékű kifejezésekkel rendelkezhet: ideális áramforrás vagy áramgenerátor. Ezt a megfogalmazást az elméleti elektrotechnikában az elektromos áramkörök működésének leírására használják;
• Tápegység (villamos energia). Kialakult terminológia a gyakorlati területen. Jelenthet egyenáramú áramforrásokat (vegyi, akkumulátorok stb.), váltakozó áramot (generátorok, transzformátorok).

Elméleti elektrotechnika

Az áramforrást a feszültségforráshoz hasonlóan az elektrotechnikában használják valós áramköri teljesítményeszközök szimulálására bizonyos feltételezések mellett.

Az ideális forrást a következő paraméterek jellemzik:

• A rajta átfolyó áram értéke mindig állandó, függetlenül a terhelés értékétől;
• A kimeneti feszültség csak a terhelési ellenállástól függ, és az Ohm-törvény határozza meg, feltéve, hogyén= const:

• A belső vezetőképesség végtelenül kicsi.

A definícióból az következik, hogy a terhelési ellenállás növekedésével az áramforrás által szolgáltatott feszültség és teljesítmény a végtelenségig növekszik.

A valódi áramforrásnak van némi belső ellenállása, hasonlóan a valódi feszültségforráshoz, így a jellemzők csak a terhelési ellenállás bizonyos tartományában felelnek meg a definíciónak. Némi közelítéssel különösen egy nagy teljesítményű áramváltó szekunder tekercsét tekinthetjük ennek a váltakozó áramú áramkörhöz csatlakoztatva.

Az elméleti elektrotechnikában lehetőség van a feszültségforrások áramgenerátorainak kölcsönös átalakítására, azaz kiválaszthatja a legkényelmesebb kijelzőt a további számításokhoz.

Alkalmazás

Az ideálishoz közeli jellemzőkkel rendelkező forrásoknak gyakorlati alkalmazása is van. Meglepő példa erre az akkumulátortöltő. A modern akkumulátorok töltéséhez olyan eszközöket használnak, amelyek speciális algoritmusok szerint generálják a töltési feszültséget, de a legegyszerűbb és nem kevésbé megbízható (különösen az egyszerű savas és alkáli akkumulátorok esetében) az, hogy stabil árammal töltsön, amíg a kimeneti feszültség egyenlő az emf-vel. az akkumulátorról. Ide tartoznak az elektromos ívhegesztő gépek is, amelyek az ív hosszától függetlenül stabilizálják az íváramot, hogy egyenletes hegesztést hozzanak létre.

Az analóg áramkörök bipoláris és térhatású tranzisztorokra épülő forrásokat használnak. Differenciál- és műveleti erősítők táplálására, hídáramkörök mérésére és összehasonlítására szolgálnak.

Gyakorlati elektrotechnika

A gyakorlati elektrotechnikában kivétel nélkül minden áramforrást áramforrásnak neveznek, bár legtöbbjük a feszültségforrások osztályába tartozik. Ide tartoznak bármilyen típusú energia átalakítói elektromos energiává:

• Vegyi áramforrások;
• Fizikai;
• Másodlagos tápegységek.

Kémiai áramforrások

Ilyen eszközök közé tartoznak azok, amelyek kémiai folyamatok, különösen redoxreakciók eredményeként elektromos energiát termelnek. Ez:

• Egyszer használatos eszközök – galvánelemek;
• Újrahasználható eszközök – akkumulátorok;
• Elektrokémiai generátorok (üzemanyagcellák).

A galvanikus cellákat a legegyszerűbb megvalósítani, ami megmagyarázza azt a tényt, hogy ők voltak az elsők, amelyeket létrehoztak. A galvánelemek sajátossága, hogy kis teljesítményleadókkal is képesek hosszú ideig működni. A negatív oldal az, hogy amikor a kémiai átalakulás energiatartaléka kimerül, az elemet ártalmatlanítani kell. Egyes típusok, például az alkáli cellák, lehetővé teszik a regenerálást a szolgáltatás végén külső tápegységről való töltéssel, de az ilyen műveletek hatékonysága alacsony, és átmeneti megoldást jelent.

Az akkumulátorokat ismételt kisütési-töltési ciklusokra tervezték. A töltőről helyreáll a kapacitás. Az akkumulátorok nagy mennyiségű energiát képesek leadni impulzusban, és egyes típusokat hosszú távú puffer üzemmódban történő működésre terveztek.

Az üzemi ciklusok száma korlátozott, de még ilyen feltétel mellett is gazdaságosabb az akkumulátorok használata, mint a galvánelemek.

Az elektrokémiai generátoron lévő áramforrás működése elvileg hasonló a galvánelem elektromos áram előállításához, de az aktív tartományba folyamatosan betáplált anyagok közötti kémiai reakciót alkalmazza. Az élettartamot a vegyszerellátás korlátozza.

Minden vegyi eszköz egyenáramot termel, és a váltakozó áram előállításához átalakítót igényel.

Fizikai források

Ezek az eszközök a villamos energia előállításának fizikai elvein alapulnak, és más típusú energiát alakítanak át:

• Termikus;
• Mechanikai;
• Nukleáris;
• Napos.

A legerősebb konverterek az első három típusú energiát használják, és ugyanazon az elven működnek. Ezek hő-, atom- és vízerőművek. A szénhidrogén tüzelőanyag égéséből vagy az atommag bomlása során keletkező hőt a folyadék (víz) felmelegítésére használják fel, amely nyomás alatt gőz formájában forgatja a generátor turbina tengelyét.

A vízerőművek a lehulló víz energiáját használják fel a generátorok forgatására.

Ezek a generátorok mindegyike képes váltakozó vagy egyenáramot előállítani, de főleg az előbbit, mivel az könnyen átalakítható más feszültségre.

Vannak olyan berendezések, amelyek a hőenergiát közvetlenül, köztes víz felhasználása nélkül képesek elektromos árammá alakítani, de az alacsony hatásfok és hatásfok miatt korlátozott az elosztásuk.

A napelemek (fotocellák) közvetlenül alakítják át a fényenergiát egyenárammá. A napelemek ipari mintáinak hatékonysága jelenleg alacsony, a stabil működéshez közvetlen napfény szükséges a fotokonvertereken. Ezek szolgálják a fő áramforrást a Naphoz legközelebbi pályán működő űrhajókon. A naptól való távolság növekedésével a sugarak energiája a távolság négyzetével arányosan csökken, ezért át kell térnünk elektrokémiai generátorokra.

Másodlagos tápegységek

Az erősáramú eszközök kimeneti paraméterei nem mindig felelnek meg a követelményeknek. Számos alkalmazás változó nagyságú tápfeszültséget és egyéb jellemzőket igényel.

A szükséges paraméterekre való átalakítás másodlagos tápegységekben történik. Az építési áramkörök nagymértékben függenek a bemeneti feszültség típusától. Az egyenfeszültség átalakítására főként inverter átalakítókat használnak, amelyek erős tranzisztoros kapcsolókkal nagyfrekvenciás impulzusokat képeznek. A nagyfrekvenciás jelet egy transzformátor táplálja, amelynek szekunder tekercseiről a szükséges feszültséget eltávolítják.

A váltakozó feszültség átalakításához hagyományos transzformátort használnak, de a bemeneti feszültség előzetes egyenirányításával inverter áramkör is használható.

A kifejezések használata attól függ, hogy milyen területen használják őket. A fogalmak szigorúságára az „Áramforrás” kifejezést csak az ideális forrás meghatározására érdemes használni, helyesebb lenne a „feszültségforrás”, tápegység, generátor kifejezést használni.

Videó

Az elektromos áram forrásai az elemek, akkumulátorok, dinamók, különféle generátorok stb. Ezek valamilyen más típusú energiával, például vegyi, mechanikai, termikus stb. energiával állítanak elő villamos energiát. Ebből következően az elektromos áramforrások esetén az energiamegmaradás törvénye érvényben marad.

Minden áramforrásnak megvan az a tulajdonsága, hogy egy áramkör zárásakor elektromos mezőt hozzon létre a vezetőkben, amely bizonyos erővel hat a szabad elektronokra. Ezért azt mondják, hogy minden áramforrásnak van egy bizonyos elektromotoros ereje (EMF).

Az elektromos áramforrások nem termelnek elektronokat, de az általuk létrehozott elektromos tér mozgásba hozza a szabad elektronokat, amelyek magukban a vezetőben helyezkednek el. Ebből a szempontból bármely áramforrás összehasonlítható egy zárt csőrendszerben vizet mozgató szivattyúval (3.3b. ábra). A szivattyú ugyanúgy energiát ad át a turbinának, mint az akkumulátor egy villanykörtének. Nyilvánvaló, hogy minden elágazás nélküli rendszerben a vastag és vékony csövekben egységnyi idő alatt áramló víz mennyisége azonos, csak vékony csövön keresztül haladnak nagyobb sebességgel a vízrészecskék.

sebesség. Hasonlattal azt mondhatjuk, hogy az áram nagysága egy el nem ágazó elektromos áramkörben mindenhol azonos, csak a nagyobb átmérőjű vezetőkben lassabban mozognak az elektronok, mint a vékonyabb vezetőkben.

Az elektromos áram sebessége

Az elektromos tér 300 000 kilométer per másodperc sebességgel halad át a vezetékeken. Ez a sebesség olyan nagy, hogy egy másodperc alatt a mező körülbelül nyolcszor tudja megkerülni a Földet!

Az elektronok irányított mozgásának sebessége a vezetőben sokkal kisebb, és az áramsűrűségtől függ.

Egy villanykörte felhevített izzószála mentén az elektronok 1-2 centiméter/s sebességgel mozognak, míg a zsinórokban és kábelekben ez a sebesség nem haladja meg a 2-3 millimétert másodpercenként. Itt felmerülhet a kérdés: miért mondják, hogy az elektromos áram sebessége óriási?

Ennek megértéséhez képzeljünk el több tucat kockát szorosan, egyenes vonalban egymásra rakva egy sima felületen. Ha megnyomjuk az első kockát, a lökés szinte azonnal eléri az utolsó kockát, azonban az egyes kockák sebessége külön-külön nem lesz túl nagy. Ugyanígy, amikor egy elektromos áramkör zárva van, az elektromos tér hatalmas sebességgel terjed a vezető mentén, és szinte egyszerre hozza mozgásba a közeli és távoli elektronokat. Ezért általánosan elfogadott, hogy az elektromos áram körülbelül 300 000 kilométer/s sebességgel halad át a vezetőkön.

Az elektromos áram iránya

Azt már kiderítettük, hogy a fémekben az elektromos áramot csak egyfajta töltéshordozó - elektronok - okozzák. Az elektrolitokban azonban az elektromos áramot elektronok és pozitív ionok egyaránt okozzák. Hasonló képet látunk

és félvezetőkben, ahol az elektromos áramot kétféle töltött részecske okozza: elektronok ill. lyukakat(a lyukak pozitív töltésű részecskék tulajdonságaival rendelkeznek, mert olyan helyeket képviselnek, ahol nincsenek elektronok). ábrán. A 3.4a ábra hagyományosan egy olyan félvezetőt mutat be, amelyen nem folyik át áram. Látható, hogy az elektronok és a lyukak véletlenszerűen mozognak különböző irányba a termikus rezgés hatására. Ha a félvezető áramforráshoz csatlakozik, akkor elektromos tér keletkezik, és lyukak elkezdenek mozogni a mező irányába, és az elektronok – a mező felé(3.4. ábra b).

Még a múlt században is elfogadták Az elektromos áram iránya alatt a pozitív töltésű töltések mozgási irányát értjük(akkor még nem tudták, hogy a fémekben az áramot csak az elektronok okozzák). A hagyomány szerint ezt a szabályt a mai napig megőrizték. Ezért e szabály szerint az áram iránya a fémekben ellentétes az elektronok mozgási irányával. Ezért az áram a külső áramkörben a pozitív pólustól a negatív felé áramlik.

ÁRAMFORRÁSOK, különféle típusú energiát elektromos energiává alakító eszközök. Az átalakított energia típusa alapján az áramforrásokat hagyományosan kémiai és fizikai forrásokra osztják. Az első információk a kémiai áramforrásokról (galvanikus cellák és akkumulátorok) a 19. századból származnak (például feszültségoszlop, 1800; Daniel-Jacobi cella, 1836; ólomelem, 1859). Az 1940-es évekig a világon csak néhány típusú galvánelemet és akkumulátort fejlesztettek ki és alkalmaztak a gyakorlatban; Ezt követően a rádióelektronika fejlődése és az autonóm tápegységek széles körű elterjedése miatt gyártásuk folyamatosan bővült. Kis méretű áramforrásokkal vannak felszerelve hordozható világítóberendezések, magnók és rádiók, televíziók és hordozható orvosi berendezések, járművek, repülőgépek és űrhajók és még sok más. Az első egyenáramú elektromos gépgenerátort B. S. Jacobi készítette 1842-ben. Az 1920-as évek óta a turbógenerátorokat és a hidrogenerátorokat ipari áramforrásként használták. Az egyéb elven működő fizikai áramforrások (termoelektromos generátorok, hőátalakítók, napelemek stb.) a 20. század második felében, a modern technika megnövekedett követelményei miatt alakultak ki és fejlődtek.

Az áramforrások legfontosabb jellemzői a következők: hatásfok, energiaintenzitás (vagy fajlagos energiaintenzitás), teljesítmény (vagy egységnyi tömegre, térfogatra jutó fajlagos teljesítmény), élettartam, a megtermelt villamos energia minősége (frekvencia, feszültség, túlterhelési képesség, költség), megbízhatóság).

A kémiai áramforrások a redox reakciók energiája révén elektromos áramot termelnek. A működési rendszernek és az elektromos hálózat energiaellátásának képességének megfelelően a kémiai áramforrásokat primer, szekunder és tüzelőanyag-elemekre osztják; Külön csoportot alkotnak a tartalék áramforrások. Az elsődleges áramforrások (galvanikus cellák és akkumulátorok) rendszerint a kémiai reagensekből származó egyszeri energiafelhasználást feltételezik, ami után (kisütés után) elfogynak és működésképtelenné válnak. Az ilyen áramforrásokban az elektrolittal elválasztott pozitív és negatív elektródák az áramforrás teljes élettartama alatt elektromosan össze vannak kötve (galvanikus kapcsolat). A szekunder áramforrások (elektromos akkumulátorok és újratölthető akkumulátorok) lehetővé teszik az alkotó kémiai reagensek energiájának ismételt felhasználását; kisütés után külső forrásból ellenkező irányú áram létrehozásával újratölthetők. Az elektródák és az elektrolit elektromos kapcsolatban állnak egymással az akkumulátor élettartama alatt. Az akkumulátorok élettartamának növelésére módszereket dolgoztak ki az akkumulátorok szárazon töltött tárolására; Az ilyen akkumulátorokat bekapcsolás előtt először meg kell tölteni elektrolittal. Az üzemanyagcellák (elektrokémiai generátorok) képesek hosszú ideig folyamatosan elektromos áramot termelni, mivel folyamatosan új reagensadagokat szállítanak kívülről az elektródákra, és eltávolítják a reakciótermékeket. A legígéretesebb generátorok azok, amelyek a természetes tüzelőanyagok energiáját közvetlenül elektromos árammá alakítják át.

A tartalék áramforrások a kémiai reagensek energiájának egyszeri felhasználását teszik lehetővé, de a galvánelemekkel ellentétben a reagensek és a bennük lévő elektrolit közvetlenül a kisütés megkezdése előtt érintkezésbe kerülnek (aktiválódnak). Az ilyen áramforrásokban lévő elektrolitot külön edényben tárolják, és közvetlenül a terhelés bekapcsolása előtt öntik ki, vagy szilárd állapotban van, és a terhelés bekapcsolása előtt megolvad. A tartalék áramforrásokat főként olyan elektromos berendezések táplálására használják, amelyek hosszú ideig készenléti (nem működő) állapotban vannak; Az eltarthatósági idő legfeljebb 15 év. Lásd még: Kémiai áramforrások.

A fizikai áramforrások hő-, mechanikai, elektromágneses energiát, valamint a sugárzás és a nukleáris bomlás energiáját alakítják át elektromos energiává. A legelterjedtebb besorolás szerint a fizikai áramforrások közé tartoznak a következők: elektromos gép- és termoelektromos generátorok, hő-konverterek, magnetohidrodinamikus (MHD) generátorok, valamint a napsugárzás és az atomi bomlás energiáját átalakító generátorok.

A mechanikai energiát elektromos energiává alakító elektromos gépgenerátorok az elektromos energiaforrások legelterjedtebb típusai, a modern energia alapja. Osztályozhatók teljesítmény szerint (W töredékétől GW egységig), rendeltetésük és működési jellemzőik szerint (helyhez kötött, szállítási, tartalék stb.), az elsődleges motor típusa szerint (például turbó- és hidrogéngenerátorok), munkafolyadék (gőz, víz, gáz) stb. A hosszú tervezési és technológiai fejlesztéseknek köszönhetően az ilyen típusú áramforrások jellemzői a határhoz közeli értékeket értek el.

A termoelektromos generátort (TEG) a hőenergia elektromos energiává történő közvetlen átalakítására használják; A művelet a Seebeck-effektus használatán alapul. A leghatékonyabbak a PP hőelemeken alapuló TEG-ek; teljesítményük akár több száz kW, hatásfoka akár 20%. A TEG-ek fő előnyei az elektromos gépek átalakítóihoz képest a mozgó alkatrészek hiánya, a nagy megbízhatóság, a hosszú élettartam (akár 25 év), valamint a széles hőmérsékleti tartományban való működés képessége; Hátránya az alacsony hatékonyság és a viszonylag magas költségek. A TEG-ek alkalmazási területei az autonóm tápegységek (közlekedési, hírközlési, űrtechnikai), korrózióvédelem (fővezetékeken) stb.

A termikus energiaátalakító (TEC) működése a felhevített fém felületéről történő elektronkibocsátás jelenségén alapul (lásd Termionikus emisszió). A TEC áramerősségét a katód emissziós áramerőssége korlátozza; a hatásfok jelentősen függ az elektródák hevítési hőmérsékletétől és eléri a 30%-ot (3000 K feletti katódhőmérsékletnél), a fajlagos elektromos teljesítmény (1 cm 2 katódfelületre vonatkoztatva) nem haladja meg a tíz W-ot. A TEC-k nem kaptak ipari alkalmazást (főleg az alacsony gazdasági mutatók miatt); Legígéretesebb felhasználásuk kis méretű, kis teljesítményű elektromos készülékekben van.

Az 1990-es évek óta egyre elterjedtebbek a fotovoltaikus generátorok, amelyek közvetlenül alakítják át a napsugárzás energiáját elektromos energiává (lásd: Napelem); A művelet a belső fotoelektromos hatás felhasználásán alapul. A bennük lévő elektromos áram a fotocellában végbemenő folyamatok eredményeként keletkezik, amikor fénysugárzás éri azt. A szilícium alapú napelemek a leghatékonyabbak; teljesítményük legfeljebb 10 kW, hatásfoka 10-20%; élettartama gyakorlatilag korlátlan. Az ilyen áramforrásokat főként űrhajókon, automatikus meteorológiai állomásokon használják, valamint a villamos vezetéktől távol eső területek áramellátására, ahol évente sok napsütéses nap van.

A magnetohidrodinamikus generátor a mágneses térben mozgó elektromosan vezető közeg (például alacsony hőmérsékletű plazma) energiáját elektromos energiává alakítja át. Az ilyen áramforrások hatásfoka akár 40%, egy egységben körülbelül 500 MW teljesítmény mellett. Az ipari energia szempontjából a legígéretesebb a plazma MHD generátorok létrehozása természetes szerves tüzelőanyag (gáz, szén) felhasználásával. A 2000-es évek elejére Oroszországban, az USA-ban, Japánban és más országokban számos, akár több tíz MW teljesítményű MHD-berendezést fejlesztettek ki, amelyek kísérleti ipari üzemben vannak.

A nukleáris akkumulátor a radioaktív elemek atommagjainak bomlása során felszabaduló energiát elektromos energiává alakítja. A nukleáris akkumulátorok teljesítménye általában nem haladja meg a több száz W-ot, a feszültség legfeljebb 20 kV, élettartama legfeljebb 25 év. A lehetséges alkalmazási terület az áramforrások, például űrhajókon, mérőműszerekben, orvosi elektronikai berendezésekben.

Megvilágított. Tekintse meg az aktuális források bizonyos típusait leíró cikkeket.

Amikor az elektromos energia mindennapi életben, a termelésben vagy a szállításban való felhasználásáról beszélnek, az elektromos áram munkáját értik. Az elektromos áramot az erőműből vezetékeken keresztül juttatják a fogyasztóhoz. Ezért amikor a házakban hirtelen kialszanak az elektromos lámpák, vagy leállnak a villamos vonatok, trolibuszok mozgása, azt mondják, hogy a vezetékekben eltűnt az áram.

Mi az elektromos áram, és mi szükséges a keletkezéséhez és fennállásához a szükséges ideig?

Az "áram" szó valaminek a mozgását vagy áramlását jelenti.

Mi mozoghat az erőművet villamos energia fogyasztókkal összekötő vezetékekben?

Azt már tudjuk, hogy a testek elektronokat tartalmaznak, amelyek mozgása különféle elektromos jelenségeket magyaráz (lásd 30. §). Az elektronok negatív elektromos töltéssel rendelkeznek. A nagyobb anyagrészecskék – az ionok – is rendelkezhetnek elektromos töltésekkel. Következésképpen különféle töltött részecskék mozoghatnak a vezetőkben.

Az elektromos áram a töltött részecskék rendezett (irányított) mozgása.

Ahhoz, hogy elektromos áramot kapjon egy vezetőben, elektromos mezőt kell létrehoznia benne. Ennek a mezőnek a hatására a töltött részecskék, amelyek szabadon mozoghatnak a vezetőben, elkezdenek mozogni a rájuk ható elektromos erők irányába. Elektromos áram keletkezik.

Ahhoz, hogy elektromos áram hosszú ideig létezzen egy vezetőben, mindaddig elektromos mezőt kell fenntartani benne. A vezetőkben elektromos tér jön létre, amely hosszú ideig fenntartható elektromos áramforrások.

Különböző áramforrások léteznek, de mindegyikben a pozitív és negatív töltésű részecskék szétválasztása folyik. Az elválasztott részecskék felhalmozódnak pólusok aktuális forrás. Ez azoknak a helyeknek a neve, amelyekhez a vezetékeket kapcsokkal vagy bilincsekkel csatlakoztatják. Az áramforrás egyik pólusa pozitívan töltődik, a másik negatívan. Ha a forrás pólusait egy vezető köti össze, akkor elektromos mező hatására a vezetőben lévő szabad töltésű részecskék egy bizonyos irányba mozognak, és elektromos áram keletkezik.

Rizs. 44. Elektrofor gép

Rizs. 45. Belső energia átalakítása elektromos energiává

Az áramforrásokban a töltött részecskék szétválasztása során mechanikai, belső vagy más energia alakul át elektromos energiává. Tehát például be elektrofor gép(44. ábra) A mechanikai energia elektromos energiává alakul. A belső energia elektromos energiává alakítása is lehetséges. Ha két különböző fémből készült vezetéket forrasztunk, majd a csomópontot felmelegítjük, a vezetékekben elektromos áram keletkezik (45. ábra). Ezt az áramforrást ún termoelem. Ebben a fűtőelem belső energiája elektromos energiává alakul. Ha egyes anyagokat, például szelént, réz(I)-oxidot és szilíciumot megvilágítanak, a negatív elektromos töltés elvesztése figyelhető meg (46. ábra). Ezt a jelenséget az ún fotóeffektus. Az eszköz és a cselekvés ezen alapul fotocellák. A hőelemeket és a fotocellákat középiskolai fizikatanfolyamokon tanulják.

Rizs. 46. ​​Sugárzási energia átalakítása elektromos energiává

Nézzük meg közelebbről két áramforrás kialakítását és működését - galvánelemÉs akkumulátor, amelyet elektromossággal kapcsolatos kísérletekben fogunk használni.

A galvánelemben (47. ábra, a) kémiai reakciók mennek végbe, és az e reakciók során felszabaduló belső energia elektromos energiává alakul. A 47, b ábrán látható elem egy C cink edényből (test) áll. A testbe egy szénrudat U helyezünk be, amelynek M fém burkolata van. A rudat Mn0 2 mangán (IV) oxid keverékébe helyezzük. és zúzott szén C. A cinktest és a mangán-oxid és szén keveréke közötti teret zselészerű sóoldattal (ammónium-klorid NH 4 CI) töltik ki P.

Rizs. 47. Galvanikus cella (akkumulátor)

A cink Zn és ammónium-klorid NH4CI kémiai reakciója során a cinkedény negatív töltésűvé válik.

A mangán-oxid pozitív töltést hordoz, a belehelyezett szénrúd pedig a pozitív töltés átvitelére szolgál.

Egy töltött szénrúd és egy cinkedény között, melyek ún elektródák, elektromos mező keletkezik. Ha egy szénrudat és egy cinkedényt egy vezetővel kötünk össze, akkor elektromos tér hatására a szabad elektronok teljes hosszában rendezett mozgásba kerülnek. Elektromos áram keletkezik.

A galvanikus cellák a leggyakoribb egyenáram-források a világon. Előnyük a könnyű és biztonságos használat.

A mindennapi életben gyakran használnak akkumulátorokat, amelyek sokszor újratölthetők - akkumulátorok(Lat. akkumulátorból - felhalmoz). A legegyszerűbb akkumulátor két ólomlemezből (elektródából) áll, amelyeket kénsavoldatba helyeznek.

Ahhoz, hogy az akkumulátor áramforrássá váljon, fel kell tölteni. A töltéshez valamilyen forrásból származó egyenáramot vezetnek át az akkumulátoron. A töltési folyamat során a kémiai reakciók eredményeként az egyik elektróda pozitívan, a másik negatívan töltődik. Amikor az akkumulátor fel van töltve, független áramforrásként használható. Az akkumulátor pólusait „+” és „-” jelek jelölik. Töltéskor az akkumulátor pozitív pólusa az áramforrás pozitív pólusához, a negatív pólus pedig a negatív pólushoz kapcsolódik.

Az ólom- vagy savas akkumulátorok mellett széles körben használják a vas-nikkel vagy alkáli elemeket. Lúgos oldatot és lemezeket használnak - az egyik préselt vasporból, a második nikkel-peroxidból. A 48. ábra egy modern akkumulátort mutat.

Rizs. 48. Akkumulátor

Az akkumulátorok széles és változatos felhasználási területtel rendelkeznek. Vasúti kocsik, kocsik világítási hálózatának meghajtására, kocsimotor beindítására szolgálnak. Akkumulátorok biztosítják a víz alatti tengeralattjáró áramellátását. A mesterséges földi műholdakon található rádióadók és tudományos berendezések is kapnak áramot a műholdra telepített akkumulátorokból.

egy mobiltelefon; b - laptop

Az erőművekben elektromos áramot állítanak elő generátorok(a latin generator szóból – alkotó, producer). Ezt az elektromos áramot az iparban, a közlekedésben és a mezőgazdaságban használják.

Kérdések

1. Mi az elektromos áram?
2. Mit kell létrehozni egy vezetőben, hogy áram keletkezzen és létezzen benne?
3. Milyen energiaátalakítások mennek végbe az áramforráson belül?
4. Hogyan működik a száraz galvanikus cella?
5. Melyek az akkumulátor pozitív és negatív pólusai?
6. Hogyan működik az akkumulátor?
7. Hol használják az elemeket?

Gyakorlat

1. Az internet segítségével tájékozódjon, milyen típusú töltők léteznek, és emelje ki azok jellemzőit.
2. Készítsen prezentációt az akkumulátorok felhasználásáról!

Az elektromos áram az elektromos töltések irányított, rendezett mozgása.

Az elektromos töltések különbözőek lehetnek. Ezek lehetnek elektronok vagy ionok (pozitív vagy negatív töltésű).
Ahhoz, hogy elektromos áramot kapjon egy vezetőben, elektromos mezőt kell létrehoznia benne. A mező hatására elektromos töltések kezdenek mozogni, és elektromos áram keletkezik.

Figyelj!

Az elektromos áram létezésének feltételei:

szabad elektromos töltések jelenléte;
elektromos mező jelenléte, amely biztosítja a töltések mozgását;
zárt elektromos áramkör.

Az elektromos mezőt elektromos áramforrások hozzák létre.

Az áramforrás olyan eszköz, amelyben bizonyos típusú energiát elektromos energiává alakítanak át.

Bármilyen áramforrásnál a pozitív és negatív töltésű részecskék szétválasztását végzik, amelyek a forrás pólusain halmozódnak fel.

Különféle típusú áramforrások léteznek:

Mechanikus áramforrás- a mechanikai energia elektromos energiává alakul. Ide tartoznak: elektroforikus gép, dinamó, generátorok.

Az elektrofor gép korongjai ellentétes irányban forognak. A kefék súrlódása következtében a tárcsákon ellentétes előjelű töltések halmozódnak fel a gép vezetőin.

Hőáram forrás- a belső energia elektromos energiává alakul.

Ez magában foglalja a hőelemet. Az egyik végén két különböző fémből készült vezeték van forrasztva. Ezután a csomópont felmelegszik, majd a vezetékek másik vége között feszültség jelenik meg.

Fény áramforrás- a fényenergia elektromos energiává alakul. Ez magában foglalja a fotocellát is.

Amikor egyes félvezetőket megvilágítanak, a fényenergia elektromos energiává alakul. A napelemek fotocellákból készülnek.

Kémiai áramforrás- kémiai reakciók eredményeként a belső energia elektromos energiává alakul.
Ide tartozik például a galvánelem.

Egy szénrudat U behelyezünk egy C cink edénybe, amelynek M fém fedele van. A rudat egy mangán-oxid és szén C keverékével töltött vászonzacskóba helyezzük. A cinktest és a mangán-oxid keveréke közötti tér szénnel R só zselészerű oldatával töltjük meg. Kémiai reakció eredményeként A cink negatív töltésű és a szénrúd pozitív töltést kap. A töltött rúd és a cinkedény között elektromos tér jön létre. Egy ilyen áramforrásban a szén a pozitív elektróda, a cinkedény pedig a negatív elektróda.

Egy akkumulátor több galvanikus cellából is készülhet.

A galvanikus cellákon alapuló áramforrásokat háztartási autonóm elektromos készülékekben és szünetmentes tápegységekben használják. Eldobhatóak. A mindennapi életben gyakran használnak olyan akkumulátorokat, amelyek többszörösen újratölthetők. Ezeket akkumulátoroknak hívják.

A legegyszerűbb akkumulátor kénsav gyenge vizes oldatával töltött edényből áll, amelybe két ólomlemezt (elektródát) engednek le. Ahhoz, hogy az akkumulátor áramforrássá váljon, fel kell tölteni. Ha mindkét lemezt bármely elektromos energiaforrás pólusaihoz csatlakoztatjuk, akkor az oldaton áthaladó elektromos áram az egyik elektródát pozitívan, a másikat negatívan tölti. Az ilyen akkumulátorokat savas vagy ólom akkumulátoroknak nevezik. Rajtuk kívül vannak alkáli vagy nikkel-vas akkumulátorok is. Lúgos oldatot és lemezeket használnak: az egyik préselt vasporból, a másik nikkel-peroxidból készül.
Az akkumulátorokat autókban, elektromos járművekben, mobiltelefonokban, vasúti kocsikban és még mesterséges földi műholdakban is használják.
A jelenlegi források mellett számos villamosenergia-fogyasztó is létezik: lámpák, porszívók, számítógépek és még sokan mások. Ahhoz, hogy az áramot a forrásból a fogyasztóhoz eljuttassuk, összekötő vezetékekre van szükség, annak ellátásához pedig kapcsolókra, kapcsolókra, gombokra stb.

Figyelj!

Elektromos áramkörnek nevezzük az áramforrást, az áramfogyasztókat, a vezetékekkel egymáshoz kapcsolódó záróberendezéseket.

Ahhoz, hogy az áramkörben elektromos áram létezzen, zártnak kell lennie, azaz. elektromos vezetőkből állnak. Ha a vezeték bármely ponton elszakad, az áramkörben leáll az áram. A kapcsolók működése ezen alapul.

Figyelj!

Azokat a rajzokat, amelyek az elektromos eszközök áramkörbe történő csatlakoztatásának módszereit ábrázolják, diagramoknak nevezzük.

Az ábrákon az eszközöket hagyományos szimbólumok jelölik. Itt van néhány közülük: