Ўнутранае супраціўленне крыніцы току. Супраціў - формула

Электрычны ток у правадыру ўзнікае пад уздзеяннем электрычнага поля, якое прымушае свабодныя зараджаныя часціцы прыходзіць у накіраванае рух. Стварэнне току часціц – сур'ёзная праблема. Збудаваць такое прылада, якое будзе падтрымліваць рознасць патэнцыялаў поля доўгі час у адным стане – задача, рашэнне якой аказалася пад сілу чалавецтву толькі да канца XVIII стагоддзя.

Першыя спробы

Першыя спробы «назапасіць электрычнасць» для далейшага яго даследавання і выкарыстання былі зроблены ў Галандыі. Немец Эвальд Юрген фон Клейст і галандзец Пітэр ван Мушенбрук, якія праводзілі свае даследаванні ў мястэчку Лейдэн, стварылі першы ў свеце кандэнсатар, названы пазней «лейденской слоікам».

Назапашванне электрычнага зарада ўжо праходзіла пад дзеяннем механічнага трэння. Выкарыстоўваць разрад праз правадыр можна было на працягу некаторага, дастаткова кароткага, прамежку часу.

Перамога чалавечага розуму над такой эфемернай субстанцыяй, як электрычнасць, была рэвалюцыйнай.

Да жаль, разрад (электрычны ток, які ствараецца кандэнсатарам) доўжыўся настолькі коратка, што стварыць пастаянны ток не мог. Акрамя таго, напружанне, якое даецца кандэнсатарам, паступова паніжаецца, што не пакідае магчымасці атрымліваць працяглы ток.

Трэба было шукаць іншы спосаб.

Першы крыніца

Эксперыменты італьянца Гальвани па даследаванню «жывёльнага электрычнасці» былі арыгінальнай спробай знайсці натуральны крыніца току ў прыродзе. Развешваючы лапкі препарированных жаб на металічных гручках жалезнай рашоткі, ён звярнуў увагу на характэрную рэакцыю нервовых канчаткаў.

Больш:

Нервовы імпульс, яго пераўтварэнне і механізм перадачы

Нервовая сістэма чалавека выступае своеасаблівым каардынатарам у нашым арганізме. Яна перадае каманды ад мозгу мускулатуры, органаў, тканін і апрацоўвае сігналы, якія ідуць ад іх. У якасці своеасаблівага носьбіта дадзеных выкарыстоўваецца нервовы імп...

Куды паступаць пасля 11 класа? Якую выбраць прафесію?

Пры выбары сваёй будучай прафесіі не варта абапірацца на чые-то рэкамендацыі і парады, тым больш не трэба падпарадкоўвацца сваім бацькам, якія даволі часта вырашаюць без вас самастойна, куды паступіць пасля 11 класа. Варта задумацца, наколькі паспяхо...

Крывяносная сістэма жывёл, як вынік эвалюцыйнага развіцця свету

Крывяносная сістэма жывёл прайшла доўгі шлях фарміравання ў ходзе эвалюцыйнага развіцця свету. Яна ўтварылася на месцы рудыментарных частак першаснай паражніны цела, якая ў вышэйшых жывёл была выцесненая целломом, або другаснай паражніной цела. У пра...

Аднак высновы Гальвани абверг іншы італьянец - Алесандра Вольта. Зацікавіўшыся магчымасцю атрымання электрычнасці з арганізмаў жывёл, ён правёў серыю эксперыментаў з жабамі. Але яго выснову апынуўся поўнай супрацьлегласцю папярэднім гіпотэз.

Вольта звярнуў увагу, што жывы арганізм з'яўляецца толькі індыкатарам электрычнага разраду. Пры праходжанні току лапак мышцы скарачаюцца, паказваючы на рознасць патэнцыялаў. Крыніцай электрычнага поля апынуўся кантакт разнастайных металаў. Чым далей адзін ад аднаго яны знаходзяцца ў шэрагу хімічных элементаў, тым больш значныя эфект.

Пласціны з разнастайных металаў, пракладзеныя папяровымі дыскамі, пропитанными растворам электраліта, стваралі доўгі час неабходную рознасць патэнцыялаў. І хай яна была невысокая (1,1), але электрычны ток можна было даследаваць доўгі час. Галоўнае, што напружанне захоўвалася нязменным гэтак жа доўга.

Што адбываецца

Чаму у крыніцах, якія атрымалі назву «гальванічных элементаў», выклікаецца такі эфект?

Два металічных электрода, змешчаных у дыэлектрык, гуляюць розныя ролі. Адзін пастаўляе электроны, іншы іх прымае. Працэс акісляльна-аднаўленчай рэакцыі прыводзіць да з'яўлення лішку электронаў на адным электродзе, які называюць адмоўным полюсам, і недахопу на другім, пазначым яго як станоўчы полюс крыніцы.

У самых простых гальванічных элементах акісляльныя рэакцыі адбываюцца на адным электродзе, аднаўленчыя – на іншым. Электроны прыходзяць на электроды з знешняй часткі ланцуга. Электраліт з'яўляецца правадніком току іёнаў ўнутры крыніцы. Сіла супраціву кіруе працягласцю працэсу.

Медна-цынкавы элемент

Прынцып дзеяння гальванічных элементаў цікава разгледзець на прыкладзе медна-цынкавай гальванічнага элемента, дзеянне якога ідзе ў кошт энергіі цынку і сульфату медзі. У гэтым крыніцы пласціна з медзі змешчана ў раствор сульфату медзі, а цынкавы электрод пагружаны ў раствор сульфату цынку. Растворы падзеленыя кіпрай пракладкай, каб пазбегнуць змешвання, але абавязкова датыкаюцца.

Калі ланцуг замкнёная, павярхоўны пласт цынку акісляецца. У працэсе ўзаемадзеяння з вадкасцю атамы цынку, ператварыўшыся ў іёны, з'яўляюцца ў растворы. На электродзе вызваляюцца электроны, якія могуць прымаць удзел у адукацыі току.

Трапляючы на медны электрод, электроны прымаюць удзел у аднаўленчай рэакцыі. З раствора на павярхоўны пласт паступаюць іёны медзі, у працэсе аднаўлення яны ператвараюцца ў атамы медзі, асядаючы на меднай пласціне.

Сумуецца тое, што адбываецца: працэс працы гальванічнага элемента суправаджаецца пераходам электронаў аднаўляльніка да окислителю па знешняй часткі ланцуга. Рэакцыі ідуць на абодвух электродах. Ўнутры крыніцы працякае іённы ток.

Складанасці выкарыстання

У прынцыпе, любая з магчымых акісляльна-аднаўленчых рэакцый можа быць выкарыстана ў батарэях. Але рэчываў, здольных працаваць у каштоўных тэхнічна элементах, не так ужо і шмат. Больш таго, многія рэакцыі патрабуюць выдаткаў дарагіх рэчываў.

Сучасныя акумулятарныя батарэі маюць больш простае будынак. Два электрода, змешчаныя ў адзін электраліт, запаўняюць посуд – корпус батарэі. Такія канструктыўныя асаблівасці спрашчаюць будова і патанняюць акумулятары.

Любы гальванічны элемент здольны ствараць пастаянны ток.

Супраціў току не дазваляе ўсім ионам адначасова апынуцца на электродах, таму элемент працуе дастаткова доўга. Хімічныя рэакцыі адукацыі іёнаў рана ці позна спыняюцца, элемент разряжается.

Ўнутранае супраціўленне крыніцы току мае вялікае значэнне.

Трохі аб супраціве

Выкарыстанне электрычнага току, бясспрэчна, вывела навукова-тэхнічны прагрэс на новую прыступку, дало яму гіганцкі штуршок. Але сіла супраціву праходжанню току становіцца на шляху такога развіцця.

З аднаго боку, электрычны ток, валодае неацэннымі ўласцівасцямі, якія выкарыстоўваюцца ў побыце і тэхніцы, з другога – маецца значнае супрацьдзеянне. Фізіка як навука аб прыродзе спрабуе ўсталяваць баланс, прывесці ў адпаведнасць гэтыя абставіны.

Супраціў току ўзнікае з прычыны ўзаемадзеяння электрычнаму зараджаных часціц з рэчывам, па якім яны рухаюцца. Выключыць гэты працэс у нармальных тэмпературных умовах немагчыма.

Супраціў

Ўнутранае супраціўленне крыніцы току і процідзеянне знешняй часткі ланцуга маюць некалькі розную прыроду, але аднолькавым ў гэтых працэсах з'яўляецца здзяйсненне працы па перамяшчэнню зарада.

Сама праца залежыць толькі ад уласцівасцяў крыніцы і яго напаўнення: якасцяў электродаў і электраліта, так жа як для знешніх частак ланцуга, супраціў якіх залежыць ад геаметрычных параметраў і хімічных характарыстык матэрыялу. Да прыкладу, супраціў металічнага драты ўзрастае з павелічэннем яго даўжыні і памяншаецца пры пашырэнні плошчы перасеку. Пры вырашэнні задачы, як паменшыць супраціў, фізіка рэкамендуе выкарыстоўваць спецыялізаваныя матэрыялы.

Праца току

У адпаведнасці з законам Джоўля-Ленца у правадырах вылучаецца колькасць цеплыні, прапарцыйнае супраціву. Калі колькасць цеплыні пазначыць Q_внут., сілу току I, час яго праходжання t, то атрымаем:

• Q_внут. = I^{2 ·} R · t,

дзе r – ўнутранае супраціўленне крыніцы току.

Ва ўсёй ланцугу, у якую ўваходзяць як ўнутраную, так і знешнюю яе часткі, вылучыцца поўнае колькасць цеплыні, формула якога мае выгляд:

• Q_поўнае = I^{2 ·} R · t + I^{2 ·} R · t = I^{2 ·} (r +R) ·t,

Вядома, як пазначаецца супраціў у фізіцы: знешняя ланцуг (усе элементы, акрамя крыніцы) мае супраціў R.

Закон Ома для поўнага ланцуга

Ўлічым, што асноўную працу здзяйсняюць іншыя сілы ўнутры крыніцы току. Яе велічыня роўная твору зарада, пераноснага полем, і электрарухаючая сілы крыніцы:

• Q · E = I² · (r + R) · t.

разумеючы, што зарад роўны твору сілы току на час яго праходжання, маем:

• E = I · (r + R).

У адпаведнасці з прычынна-следчымі сувязямі закон Ома мае выгляд:

• I = E : (r + R).

Сіла току ў замкнутым ланцугу прама прапарцыйная ЭРС крыніцы току і назад прапарцыйная агульнага (поўнага) супраціву ланцуга.

Абапіраючыся на гэтую заканамернасць, можна вызначыць і ўнутранае супраціўленне крыніцы току.

Разрадная ёмістасць крыніцы

Да асноўных характарыстыках крыніц можна аднесці і разрадную ёмістасць. Максімальную колькасць электрычнасці, якое атрымліваецца пры эксплуатацыі ў пэўных умовах, залежыць ад сілы току разраду.

У ідэальным выпадку, калі выконваюцца пэўныя набліжэння, разрадную ёмістасць можна лічыць пастаяннай.

Да прыкладу, стандартная батарэйка рознасці патэнцыялаў 1,5 валодае разраднай ёмістасцю 0,5 А·ч. Калі ток разрадкі 100 мА, то працуе на працягу 5 гадзін.

Спосабы зарадкі батарэй

Эксплуатацыя батарэй прыводзіць да іх разрадцы. Аднаўленне акумулятараў, зарадка малагабарытных элементаў ажыццяўляецца пры дапамозе току, значэнне сілы якога не перавышае адной дзесятай ёмістасці крыніцы.

Прапануюцца наступныя спосабы зарадкі:

• выкарыстанне нязменнага току на працягу зададзенага часу (каля 16 гадзін токам 0,1 ёмістасці акумулятара);
• зарадка паніжальным токам да зададзенага значэння рознасці патэнцыялаў;
• выкарыстанне несіметрычных токаў;
• паслядоўнае ўжыванне кароткіх імпульсаў зарадкі і разрадкі, пры якіх час першай перавышае час другі.

Практычная праца

Прапануецца заданне: вызначыць ўнутранае супраціўленне крыніцы току і ЭРС.

Для яго выканання неабходна назапасіцца крыніцай току, амперметрам, вальтметрам, ползунковым рэастатам, ключом, наборам правадыроў.

Выкарыстанне закона Ома для замкненым ланцугу дазволіць вызначыць ўнутранае супраціўленне крыніцы току. Для гэтага неабходна ведаць яго ЭРС, велічыню супраціву рэастата.

Разліковая формула супраціву току ў знешняй часткі ланцуга можа быць вызначана з закону Ома для ўчастка ланцуга:

• I = U : R,

дзе I – сіла току ў знешняй часткі ланцуга, вымяраецца амперметрам; U – напружанне на вонкавым супраціве.

Для павышэння дакладнасці вымярэння робяцца не менш за 5 разоў. Для чаго гэта трэба? Вымераныя ў ходзе эксперыменту, напружанне, супраціў, ток (дакладней, сіла току) выкарыстоўваюцца далей.

Каб вызначыцьЭРС крыніцы току, скарыстаемся тым, што напружанне на клемах пры растуленым ключы практычна роўна ЭРС.

Збярэм ланцуг з паслядоўна ўключаных батарэі, рэастата, амперметра, ключа. Да клем крыніцы току падлучальны вальтметр. Разомкнув ключ, здымаем яго паказанні.

Унутранае супраціў, формула якога атрымана з закона Ома для поўнага ланцуга, вызначым матэматычнымі разлікамі:

• I = E : (r + R).
• R = E : I – U : I.

Вымярэння паказваюць, што ўнутраны супраціў бывае значна менш вонкавага.

Практычная функцыя акумулятараў і батарэй знаходзіць шырокае прымяненне. Бясспрэчная экалагічная бяспека электрарухавікоў не падлягае сумневу, але стварыць ёмісты, эрганамічны акумулятар – праблема сучаснай фізікі. Яе рашэнне прывядзе да новага вітка развіцця аўтамабільнай тэхнікі.

Малагабарытныя, лёгкія, ёмістыя акумулятарныя батарэі таксама вельмі неабходныя ў мабільных электронных прыладах. Запас энергіі, якая прымяняецца ў іх, наўпрост звязаны з працаздольнасцю прылад.