Меню

Виды токов по физике

Все об электрических токах

26 октября 2019

Время на чтение:

Открытия, которые связаны с электричеством, существенно поменяли жизнь современного человека. Применяя электроток в качестве источника энергии, удалось сделать технологический прорыв, облегчивший существование человечества. На сегодняшний день электричество приводит в действие токарные станки, авто, роботизированную технику, предоставляет связь. В связи с этим важно понять, какие бывают виды тока и принцип их действия.

Что это такое

Электроток — направленное передвижение электрическим полем заряженных элементов. Носители зарядов металлопроводников — электроны, а кислотных и солевых растворов — ионы. Полупроводниковые носители зарядов именуются электронами и «дырками».

Электрический ток

Чтобы ток существовал, требуется постоянно поддерживать электрополе. Должна быть разница потенциалов, которая поддерживает само поле. Пока такие условия не будут выполнены, заряды упорядоченно перемещаются по замкнутой электроцепи.

Подобные условия возможно создать, к примеру, посредством электрофорной машины. Когда 2 диска вращаются в обратных направлениях, они заряжаются разноименными зарядами. На щётках, которые прилегают к дискам, возникает разница потенциалов. Соединяя контакты, частицы начинают перемещаться упорядоченно. В такой ситуации машина становится электрическим источником.

Что представляет собой ток

Характеристики

Исследовав электрический ток и его ключевые характеристики, возможно понять принцип его функционирования. Главными величинами электрической энергии являются напряжение, сила и сопротивление.

Сила и плотность тока

Чтобы описать характеристики электричества, зачастую применяют термин «сила тока». Он определяет интенсивность перемещения зарядов, которые проходят сквозь поперечное сечение проводника.

Плотность тока является векторной величиной. Вектор направляется в сторону движения положительно заряженных зарядов. Его модуль равняется соотношению силы электротока на определенном перпендикулярном по направлению перемещения зарядов сечении проводника к его площади. Измерение происходит в амперах на метр.

Плотность тока

Мощность

Электрические силы осуществляют работу против активного и реактивного сопротивления. На пассивных работах будет преобразовываться в теплоэнергию. Производительностью называется работа, которая выполнена за 1 врем. ед. Относительно электричества применяется понятие «мощность теплопотерь». Мощность теплопотерь проводника равняется силе тока, которая умножена на напряжение. Измеряется мощность в ваттах.

Мощность

Частота

Ток характеризует частота. Такой параметр покажет, как за врем. ед. меняется число колебаний. Частота измеряется в герцах. Обычная промышленная частота составит 50 Гц.

Ток смещения

Такой термин был введен для комфорта, хотя в привычном понимании его не назовешь током, поскольку нет переноса заряда. Интенсивность электромагнитного поля находится в зависимости от токопроводимости и смещения.

Токи смещения возможно увидеть в конденсаторе. Невзирая на то, что во время зарядки и разрядки меж обкладок конденсатора не перемещается заряд, ток смещения будет протекать сквозь конденсатор и замыкать электроцепь.

Ток смещения

Как работает

Условия существования электротока предполагают действие заряженных частиц, проводника и напряжения. Большинство специалистов исследовали электричество и установили, что есть 2 его разновидности: статическая и текущая.

Непосредственно текущая имеет важное значение в ежедневной жизни каждого человека, поскольку является электротоком, проходящим через электроцепь. Человек каждый день использует его, чтобы питать дома и др.

Типы проводников

Процессы образования электротока в разных средах отличаются определенными особенностями:

  • В металлах заряд перемещается свободными отрицательными частицами — электронами. Само вещество не переносится — ионы металла останутся в узлах кристаллической решетки. В процессе нагрева хаотичные колебания ионов усилятся, что препятствует упорядоченному передвижению электронов.
  • В жидкостях заряд перемещают ионы, формирование которых вызывает электролитическая диссоциация. Упорядоченное передвижение в такой ситуации является их перемещением к противоположно заряженным электродам, где они будут нейтрализованы и осядут.
  • В газах под воздействием разницы потенциалов формируется плазма. Заряженные частицы — ионы, положительные и отрицательные, и свободные электроны, которые формируются под действием ионизатора.
  • В вакууме электроток присутствует как электроны, движущиеся от катода к аноду.
  • В полупроводниках будут участвовать электроны, которые перемещаются от 1 атома к 2, и формируются вакантные участки — дырки, считающиеся плюсовыми.

При невысокой температуре полупроводники приблизятся по качествам к изоляторам. В процессе повышения температурных показателей валентные электроны получат необходимую, чтобы разорвать связи, энергию и станут свободными. С увеличением температуры улучшается проводимость полупроводника.

Важно! Положительно заряженные ионы направляются к отрицательному электроду, отрицательные ионы — к плюсовому. Во время увеличения температурных показателей проводимость электролита возрастет, поскольку увеличивается количество разложившихся на ионы молекул.

По типу генерации и характеристикам электроток бывает постоянным и переменным. Постоянный является таковым, который не обладает своим направлением. Он будет течь в любом случае в одну сторону. Переменный время от времени изменяет направленность. Таковым считается любой ток, помимо постоянного. Когда мгновенные показатели повторятся в той же последовательности спустя одинаковые временные интервалы, то подобный электрический ток называется периодическим.

Постоянный

Рассматриваемый ток тот, который на протяжении определенного временного промежутка не изменит собственной величине и направлению. Довольно часто постоянным считают пульсирующий электроток. Он отливается тем, что одинаковое число зарядов регулярно сменяются между собой в одну сторону.

Важно! В процессе определения направления бывают разбежности. Когда электроток формируется передвижением положительных частиц, то направление будет соответствовать перемещению частиц. Когда он сформирован передвижением отрицательных частиц, то направление считается противоположным движению частиц.

Основным достоинством станет то, что его возможно накопить. Делается это собственноручно, с помощью аккумуляторов либо конденсаторов.

Постоянный ток

Переменный

Для понимания сущности переменного электротока требуется представить синусоиду. Непосредственно она наилучшим образом сможет охарактеризовать изменения в постоянном токе. Переменный электроток постоянно изменяет собственную полярность. Во время одного интервала он положительный, других отрицательный. Для него немаловажным фактором станет скорость смены полярности (частота).

Большинство техники функционирует на переменном токе отличных частот. Благодаря изменениям в частоте возможно менять скорость вращения мотора.

Важно! Увидеть наглядный пример возможно, осмотрев обыкновенную лампу. В частности это заметно на некачественной диодной лампочке. В процессе функционирования на постоянном электротоке они будут гореть равномерным светом, а на переменном еле уловимо мерцать.

Источники тока

Первоисточниками электроэнергии, которые нашли применение на практике, стали гальванические элементы. После усовершенствования они используются и сегодня. Их применяют для энергопитания дистанционных пультов, электронных часов, устройств для детей и различных приборов. С появлением генераторов переменного тока электроэнергия стала использоваться еще интенсивнее. В связи с этим, следует ознакомиться с основными типами источников тока.

Механические источники

В них преобразуется механическая энергия в электричество. Процесс происходит в спецустройствах — генераторах. Главными из них считаются турбогенераторы, где электромашина будет приведена в действие с помощью газового либо парового потока, и гидрогенераторы, которые преобразуют энергию воды в электричество. Основная часть электрической энергии на планете производят непосредственно механические преобразователи.

Механические источники

Тепловые источники

Тут происходит преобразование теплоэнергии в электрическую. Появление электротока обусловливается разницей температурных показателей 2 пар контактирующих металлов. В такой ситуации заряженные частицы перемещаются в сторону холодного участка. Величина электротока будет зависеть непосредственно от температурной разницы: чем она выше, тем сильнее ток. Термопары из полупроводников дают термоэдс выше, чем биметаллические, потому они используются для изготовления источников электротока. Термопары из металла применяют только, чтобы измерять температурные показатели.

Тепловые источники

Световые источники

Когда начала развиваться физика полупроводников, стали появляться новые токоисточники — солнечные аккумуляторы, где световая энергия будет преобразовываться в электрическую. Они используют качество полупроводников выдачи напряжения во время действии на них светопотока. В частности такой эффект заметен в полупроводниках из кремния. Однако коэффициент полезного действия подобных элементов не превысит 15%. Солнечные аккумуляторы нашли свое применение в космической сфере, в бытовой. Стоимость на данные источники энергопитания регулярно уменьшается, однако по-прежнему высока.

Химические источники

Их возможно разделить на несколько групп:

  • Гальванические;
  • Аккумуляторы;
  • Тепловые.

Гальванические функционируют благодаря взаимодействию 2 различных металлов, которые помещены в электролит. В виде пар металлов и электролита выступают различные химэлементы и соединения. Это определяет разновидность и параметры элемента.

Важно! Гальванические элементы применяются лишь 1 раз, когда разрядятся их не удастся восстановить.

Дешевизна материалов и простота производства аккумуляторов делает их наиболее дешевыми из доступных. Однако по параметрам они существенно уступят щелочным и литиевым.

Химические источники

Тепловые выступают в качестве источников резервного энергопитания. Они обладают отличными характеристиками по удельной плотности электротока, однако отличаются непродолжительным сроком эксплуатации (до 60 минут). Используются преимущественно в космической отрасли, где требуются точность и кратковременное функционирование.

Как правильно применяются

Вне зависимости от принципа функционирования какого-либо источника электротока, в каждом из разделяются электрозаряды физ.тел. Происходит преобразование какой-либо разновидности энергии в электричество.

Такая энергия в технике применяется повсюду. В любом жилище возможно отыскать быттехнику, существенно облегчающую ведение хозяйства. Помимо этого, предотвращается появление пыли, копоти и других неприятных эффектов использования плит и прочих приборов, актуальных до возникновения электричества.

В промышленной сфере электрическая энергия имеет важную роль. Использование тока дает возможность существенно уменьшить траты, так как такой тип энергии дешевле горючего.

Меры безопасности

Главным правилом безопасности во время работы с токами станет то, что перед любыми действиями требуется обесточить электросеть. В процессе работ также необходимо следовать таким рекомендациям:

  • Запрещено ремонтировать включенное в электросеть приспособление.
  • При осуществлении работ на электрощитке должно присутствовать предупреждение.
  • Работа с высоким напряжением допустимо лишь с помощником.
  • Требуется наблюдать за изоляцией каждого провода и контролировать заземление.

Напряжение свыше 24 вольт будет опасно для жизни. Во время работы с напряжением больше данного параметра требуется спецдопуск. При работах необходимо пользоваться специнструментами с повышенным уровнем защиты.

Читайте также:  Как проверить выход тока с генератора

Правила безопасности

Использование электротока разнообразно, так как без него нельзя представить сегодня жизнь. Необходимо понять принципы его функционирования для направления электроэнергии в правильное русло. Электроток течет по законам физики, используемым для создания разнообразных приспособлений. Чтобы грамотно использовать его, требуется ознакомиться с основными электровеличинами.

Источник

Ток и напряжение. Виды и правила. Работа и характеристики

Ток и напряжение являются количественными параметрами, применяемыми в электрических схемах. Чаще всего эти величины меняются с течением времени, иначе не было бы смысла в действии электрической схемы.

Напряжение

Условно напряжение обозначается буквой «U». Работа, затраченная на перемещение единицы заряда из точки, имеющей малый потенциал в точку с большим потенциалом, является напряжением между этими двумя точками. Другими словами, это энергия, освобождаемая после перехода единицы заряда от высокого потенциала к малому.

Напряжение еще могут называть разностью потенциалов, а также электродвижущей силой. Этот параметр измеряется в вольтах. Чтобы переместить 1 кулон заряда между двумя точками, которые имеют напряжение 1 вольт, нужно выполнить работу в 1 джоуль. Кулонами измеряются электрические заряды. 1 кулон равен заряду 6х10 18 электронов.

Напряжение разделяется на несколько видов, в зависимости от видов тока:

  • Постоянное напряжение. Оно присутствует в электростатических цепях и цепях постоянного тока.
  • Переменное напряжение. Этот вид напряжения имеется в цепях с синусоидальными и переменными токами. В случае синусоидального тока рассматриваются такие характеристики напряжения, как:
    амплитуда колебаний напряжения – это максимальное его отклонение от оси абсцисс;
    — мгновенное напряжение, которое выражается в определенный момент времени;
    — действующее напряжение, определяется по выполняемой активной работе 1-го полупериода;
    — средневыпрямленное напряжение, определяемое по модулю величины выпрямленного напряжения за один гармонический период.

Tok i napriazhenie grafiki (U)

При передаче электроэнергии по воздушным линиям устройство опор и их размеры зависят от величины применяемого напряжения. Величина напряжения между фазами называется линейным напряжением, а напряжение между землей и каждой из фаз – фазным напряжением. Такое правило применимо для всех типов воздушных линий. В России в электрических бытовых сетях, стандартным является трехфазное напряжение с линейным напряжением 380 вольт, и фазным значением напряжения 220 вольт.

Электрический ток

Ток в электрической цепи является скоростью движения электронов в определенной точке, измеряется в амперах, и обозначается на схемах буквой «I». Также используются и производные единицы ампера с соответствующими приставками милли-, микро-, нано и т.д. Ток размером в 1 ампер образуется передвижением единицы заряда в 1 кулон за 1 секунду.

Условно считается, что ток в электрической цепи течет по направлению от положительного потенциала к отрицательному. Однако, из курса физики известно, что электрон движется в противоположном направлении.

Tok i napriazhenie (I)

Необходимо знать, что напряжение измеряется между 2-мя точками на схеме, а ток течет через одну конкретную точку схемы, либо через ее элемент. Поэтому, если кто-то употребляет выражение «напряжение в сопротивлении», то это неверно и неграмотно. Но часто идет речь о напряжении в определенной точке схемы. При этом имеется ввиду напряжение между землей и этой точкой.

Напряжение образуется от воздействия на электрические заряды в генераторах, батареях, солнечных элементах и других устройствах. Ток возникает путем приложения напряжения к двум точкам на схеме.

Tok i napriazhenie grafiki (I) 1

Чтобы понять, что такое ток и напряжение, правильнее будет воспользоваться осциллографом. На нем можно увидеть ток и напряжение, которые меняют свои значения во времени. На практике элементы электрической цепи соединены проводниками. В определенных точках элементы цепи имеют свое значение напряжения.

Ток и напряжение подчиняются правилам:
  • Сумма токов, входящих в точку, равняется сумме токов, выходящих из точки (правило сохранения заряда). Такое правило является законом Кирхгофа для тока. Точка входа и выхода тока в этом случае называется узлом. Следствием из этого закона является следующее утверждение: в последовательной электрической цепи группы элементов величина тока для всех точек одинакова.
  • В параллельной схеме элементов напряжение на всех элементах одинаково. Иначе говоря, сумма падений напряжений в замкнутом контуре равна нулю. Этот закон Кирхгофа применяется для напряжений.
  • Работа, выполненная в единицу времени схемой (мощность), выражается следующим образом: Р = U*I. Мощность измеряется в ваттах. Работа величиной 1 джоуль, выполненная за 1 секунду, равна 1 ватту. Мощность распространяется в виде теплоты, расходуется на совершение механической работы (в электродвигателях), преобразуется в излучение различного вида, накапливается в емкостях или батареях. При проектировании сложных электрических систем, одной из проблем является тепловая нагрузка системы.
Характеристика электрического тока

Обязательным условием существования тока в электрической цепи является замкнутый контур. Если контур цепи разрывается, то ток прекращается.

По такому принципу действуют все защиты и выключатели в электротехнике. Они разрывают электрическую цепь подвижными механическими контактами, и этим прекращают течение тока, выключая устройство.

В энергетической промышленности электрический ток возникает внутри проводников тока, которые выполнены в виде шин, кабелей, проводов и других частей, проводящих ток.

Также существуют другие способы создания внутреннего тока в:
  • Жидкостях и газах за счет передвижения заряженных ионов.
  • Вакууме, газе и воздухе с помощью термоэлектронной эмиссии.
  • Полупроводниках, вследствие движения носителей заряда.
Условия возникновения электрического тока:
  • Нагревание проводников (не сверхпроводников).
  • Приложение к носителям заряда разности потенциалов.
  • Химическая реакция с выделением новых веществ.
  • Воздействие магнитного поля на проводник.
Формы сигнала тока:
  • Прямая линия.
  • Переменная синусоида гармоники.
  • Меандром, похожий на синусоиду, но имеющий острые углы (иногда углы могут сглаживаться).
  • Пульсирующая форма одного направления, с амплитудой, колеблющейся от нуля до наибольшей величины по определенному закону.

Vidy toka na grafike

Виды работы электрического тока:
  • Световое излучение, создающееся приборами освещения.
  • Создание тепла с помощью нагревательных элементов.
  • Механическая работа (вращение электродвигателей, действие других электрических устройств).
  • Создание электромагнитного излучения.
Отрицательные явления, вызываемые электрическим током:
  • Перегрев контактов и токоведущих частей.
  • Возникновение вихревых токов в сердечниках электрических устройств.
  • Электромагнитные излучения во внешнюю среду.

Создатели электрических устройств и различных схем при проектировании должны учитывать вышеперечисленные свойства электрического тока в своих разработках. Например, вредное влияние вихревых токов в электродвигателях, трансформаторах и генераторах снижается путем шихтовки сердечников, применяемых для пропускания магнитных потоков. Шихтовка сердечника – это его изготовление не из цельного куска металла, а из набора отдельных тонких пластин специальной электротехнической стали.

Но, с другой стороны, вихревые токи используют для работы микроволновых печей, духовок, действующих по принципу магнитной индукции. Поэтому, можно сказать, что вихревые токи оказывают не только вред, но и пользу.

Переменный ток с сигналом в форме синусоиды может различаться частотой колебаний за единицу времени. В нашей стране промышленная частота тока электрических устройств стандартная, и равна 50 герцам. В некоторых странах используется частота тока 60 герц.

Для различных целей в электротехнике и радиотехнике используют другие значения частоты:
  • Низкочастотные сигналы с меньшей величиной частоты тока.
  • Высокочастотные сигналы, которые намного выше частоты тока промышленного использования.

Считается, что электрический ток возникает при движении электронов внутри проводника, поэтому он называется током проводимости. Но существует и другой вид электрического тока, который получил название конвекционного. Он возникает при движении заряженных макротел, например, капель дождя.

Электрический ток в металлах

Движение электронов при воздействии на них постоянной силы сравнивают с парашютистом, который снижается на землю. В этих двух случаях происходит равномерное движение. На парашютиста действует сила тяжести, а противостоит ей сила сопротивления воздуха. На движение электронов действует сила электрического поля, а сопротивляются этому движению ионы решеток кристаллов. Средняя скорость электронов достигает постоянного значения, так же как и скорость парашютиста.

В металлическом проводнике скорость движения одного электрона равна 0,1 мм в секунду, а скорость электрического тока около 300 тысяч км в секунду. Это объясняется тем, что электрический ток течет только там, где к заряженным частицам приложено напряжение. Поэтому достигается большая скорость протекания тока.

При перемещении электронов в кристаллической решетке существует следующая закономерность. Электроны сталкиваются не со всеми встречными ионами, а только с каждым десятым из них. Это объясняется законами квантовой механики, которые можно упрощенно объяснить следующим образом.

Движению электронов мешают большие ионы, которые оказывают сопротивление. Это особенно заметно при нагревании металлов, когда тяжелые ионы «качаются», увеличиваются в размерах и уменьшают электропроводность решеток кристаллов проводника. Поэтому при нагревании металлов всегда увеличивается их сопротивление. При снижении температуры повышается электрическая проводимость. При снижении температуры металла до абсолютного нуля можно добиться эффекта сверхпроводимости.

Источник

Виды источников тока

Источники тока используют для длительного поддержания электрического поля и получения электрического тока. Все они могут иметь различные принципы работы, внешний вид, конструкцию и размеры.

Источники тока – это устройства:
— способные создавать и поддерживать электрический ток;
— в них сторонние силы совершают работу по перемещению зарядов против электрических сил;
— а механическая, внутренняя, химическая или иная энергия превращается в электрическую.

Какие виды источников тока существуют

Энергия не может возникать из ничего. Об этом говорит закон сохранения энергии. Во всех без исключения источниках, электроэнергия создается за счет других ее видов.

В зависимости от того, какая именно энергия превращается в электрическую, выделяют такие виды (рис. 1) источников:

  1. механические – генераторы,
  2. тепловые – термопары, термогенераторы,
  3. световые (фотоэлектрические) – солнечные батареи и фотоэлементы,
  4. химические – гальванические элементы и аккумуляторы.
Читайте также:  Samsung ue40h5270au уменьшить ток подсветки

Рассмотрим подробнее эти виды.

Механические источники

Электрофорная машина – один из механических источников тока (рис. 2), применяемых более столетия.

С помощью этого устройства механическая энергия вращающихся дисков преобразовывается в электрическую энергию. При этом, происходит разделение положительных и отрицательных зарядов.

Превращение энергии вращения (механической) в энергию электрического тока происходит в различных генераторах.

В конструкции любого из них присутствуют элементы, создающие магнитное поле в пространстве вокруг проводника.

Например, электрический генератор для велосипеда (рис. 3), включает в себя кольцевой магнит и проволочную обмотку, расположенную рядом с ним.

Во время движения велосипеда магнит, расположенный внутри, вращается. Изменяющееся магнитное поле заставляет двигаться электроны по обмотке. Если к ее выводам подключить лампочку, она загорится, так как по цепи потечет электрический ток.

Мускульной силы человека хватает, чтобы зажечь лампочку для карманного фонаря. Однако, ее недостаточно, чтобы вырабатывать больше электроэнергии. Например, чтобы нагреть утюг и одновременно с этим зажечь несколько бытовых ламп накаливания.

Поэтому, для бытовых нужд и нужд промышленности в электрическую энергию превращают энергию сгорающего топлива, а не энергию сокращения мускул.

На тепловых, атомных и гидроэлектростанциях установлены мощные генераторы. Они могут отдавать потребителям токи в тысячи Ампер. А масса некоторых достигает десятков тонн.

На таких электростанциях превращение энергии происходит в несколько этапов. Сначала энергия горящего топлива превращается во внутреннюю энергию горячей воды, а затем — в механическую и, в конечном итоге, в электрическую.

Существуют, так же, устройства, предназначенные для бытового использования. Например, небольшие генераторы, массой в несколько килограммов, оснащенные бензиновым мотором (рис. 4).

Они, так же, преобразуют внутреннюю энергию топлива в механическую энергию вращения вала двигателя, который соединяется с генератором. А затем энергия вращения с помощью генератора превращается в электрическую энергию.

Тепловые источники

К тепловым относят различные термоэлементы. Термоэлемент — это прибор в котором, тепловая энергия, получаемая от нагревателя, превращается сначала во внутреннюю энергию вещества, а затем — в электрическую энергию.

Один из таких элементов называют термопарой (рис. 5). Термопара состоит из двух различных металлических проволок, спаянных вместе. Если нагреть место их соприкосновения, то на свободных концах проволочек можно обнаружить электрическое напряжение (ссылка).

Если свободные концы термопары присоединить к потребителю тока, то под действием тепловой энергии по замкнутой цепи побегут электроны, то есть, возникнет электрический ток.

Таким образом, эта незамысловатая конструкция преобразовывает внутреннюю энергию нагреваемых металлов в электрическую энергию.

Фотоэлектрические источники

Атомы некоторых веществ под действием видимого света способны терять электроны. Например, селен, кремний, оксиды цинка, меди, висмута. На основе этих и, некоторых других веществ создают источники, генерирующие электрический ток под действием (рис. 6) света.

Эти источники используют фотоэлектрический эффект (сокращенно — фотоэффект) (ссылка). В них энергия света преобразуется в электрическую.

Существует два вида фотоэффекта – внутренний, который используется в полупроводниках (ссылка) и внешний, используемый в вакуумных фотоэлементах на основе различных металлов.

Вакуумные фотоэлементы

В вакуумном фотоэлементе свет попадает на пластинку металла и выбивает электроны с ее поверхности. Такую пластинку называют катодом.

Выбитые электроны улавливаются другим электродом. Его называют анодом и обычно выполняют в виде металлической сетки.

Оба электрода находятся в стеклянном баллоне из которого удалили воздух. Дело в том, что молекулы воздуха могли бы помешать движению электронов, вылетевших из пластинки. Чтобы этого не происходило, воздух из баллона откачивают (рис. 7).

Таким образом, под воздействием света между катодом и анодом в вакууме возникает поток заряженных частиц. Они движутся направлено от катода к аноду. Значит, в фотоэлементе под действием света возникает электрический ток. Так световая энергия переходит в электрическую.

Солнечные батареи

Еще одним источником тока, в котором ток возникает за счет световой энергии, являются, так называемые, солнечные батареи. Их изготавливают из полупроводниковых пластин (рис. 8).

Падающий свет из полупроводника электроны не выбивает. А вызывает переход электронов в такое состояние, в котором у них появляется дополнительная энергия и они могут свободно передвигаться по полупроводнику, создавая электрический ток.

Химические источники

Если опустить два кусочка различных металлов (например, железа и меди) в емкость с проводящей жидкостью, можно получить химический источник тока.

В качестве проводящей жидкости можно использовать, например, лимонный сок. Воткнув в лимон два гвоздика из различных металлов (рис. 9) и подключив к ним гальванометр, можно обнаружить, что через гальванометр потечет электрический ток.

Такую конструкцию можно считать простейшим химическим источником тока. Гвоздики в нем — это электроды, а лимонная кислота – электролит.

Примечания:

  1. Проводящие жидкости называют электролитами.
  2. Существует, так называемый ряд электрохимических напряженый металлов. Наибольшее напряжение дают источники, построенные с применением металлов, расположенных в различных концах данного ряда.

Самым первым химических источником тока был Вольтов столб.

Алессандро Вольта и его первый гальванический элемент

Дело в том, что до исследований, проведенных А. Вольта, способ получить электрический ток был известен. Однако, эксперименты с электричеством, проводимые в лабораториях другими учеными, создавали ток всего на доли секунды. Источников, способных создавать ток, длившийся хотя бы единицы секунд, не существовало.

В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первый прибор, создававший электрический ток продолжительное время. Этот прибор в честь создателя называют Вольтовым столбом.

Ученый определил, что для получения гальванического (электрического) эффекта нужны два разных метала и проводящая жидкость.

Он длительное время потратил на эксперименты, использовал различные металлы и исследовал их свойства.

В процессе работы Вольта сделал вертикальный столбик, укладывая поочередно медные монеты и цинковые пластинки. Между металлами он укладывал кожаные кружочки, вымоченные в рассоле (рис. 10).

Так он создал первую в мире электрическую батарею. Принцип ее работы — превращение химической энергии в электрическую.

Соединяя проволокой два конца собранного столбика, он наблюдал ее нагревание и так определял действие электрического тока.

А чтобы сравнить, больше, или меньше электричества вырабатывал тот или иной столбик, Алессандро пользовался своим языком. Попросту, касался языком выводов созданного им гальванического элемента.

Такой столбик, при высоте, равной половине метра, вырабатывал напряжение, которое было довольно чувствительным.

В марте 1800 года Вольта направил письмо в Лондонское Королевское общество, в котором подробно описал результаты своей работы. А уже в июне оно было признано сенсационным среди ученых того времени.

Наполеон пригласил А. Вольта в Париж и лично присутствовал во время доклада и опыта, демонстрируемого им, а после наградил изобретателя.

Это изобретение сделало автора знаменитым. А благодаря ему в скором времени были совершены другие открытия в области физики.

Какие открытия были совершены благодаря столбу Вольта

В том же году с помощью Вольтова столба вода была разложена на водород и кислород. Это сделали Карлайл и Николсон.

А спустя три года, в 1803 году, Василий Петров создал самый большой в мире столб. Он выдавал напряжение 1700 вольт и содержал более 4000 медных и цинковых кругов. Этот столб помог получить электрическую дугу, которая применяется в электросварке металлов.

После работ Петрова в России стали применять электрические запалы для взрывчатых веществ.

А спустя еще четыре года, в 1807 году, ученым по фамилии Дэви был открыт металлический калий.

Благодаря способности Вольтова столба создавать электрический ток продолжительное время – в течение нескольких часов, началось широкое применение электричества.

По истечении этого времени, на металлах появлялся окисел, препятствующий выработке электрического тока. Нужно было разбирать конструкцию и протирать металлы, избавляя их от этого окисла. А кусочки кожи необходимо было время от времени смачивать рассолом.

Сухой гальванический элемент — батарейка

Значительно позже открытия Вольта, во второй половине 1880-х годов, инженером из Германии Карлом Гасснером был создан сухой гальванический элемент.

Сухим элемент был назван потому, что в качестве электролита в нем использовалась не жидкость, а гелеобразный состав. Такие элементы можно наклонять и даже переворачивать, не боясь пролить электролит. Поэтому, они значительно удобнее жидкостных.

Внутри элемента происходят химические превращения. Эти превращения являются экзотермическими, так как протекают с выделением энергии. Затем внутренняя энергия источника переходит в электрическую.

К примеру, в современном сухом гальваническом элементе (рис. 11), цинк реагирует с хлоридом аммония и при этом получает отрицательный электрический заряд.

Протекая, такие реакции вызывают расходование некоторых частей источника. Например, цинкового электрода.

Из-за этого, в гальванических элементах химические реакции будут необратимыми. Так как, спустя некоторое время, для нормального протекания химических превращений, не будет хватать ресурсов.

Когда скорость химических реакций замедляется, элемент перестает вырабатывать электрический ток. В таких случаях говорят, что элемент разрядился – «села батарейка».

Отработанные гальванические элементы нужно утилизировать. Это позволит использовать вновь некоторые их компоненты, а не загрязнять окружающую среду.

Мировая промышленность выпускает ассортимент стандартизированных элементов питания (рис. 12).

Например, тип АА – пальчиковая батарейка, или ААА – тонкая пальчиковая. Так же, существуют типоразмеры, обозначаемые C D и N. Они имеют ЭДС 1,5 Вольта.

Читайте также:  Что будет если увеличить частоту тока в трансформаторе

Существуют другие и типы, например, «квадратная» батарейка 3R12, имеющая ЭДС 4,5 Вольт и используемая в карманных фонариках. А, так же, небольшая батарейка вида pp3 с ЭДС 9 Вольт, часто называемая «Крона» или «Корунд».

Гальванические элементы на электрических схемах обозначают специальными значками.

Аккумуляторы и их виды

Устройство аккумулятора внешне напоминает устройство гальванического элемента. Присутствует корпус, в котором находятся две пластины из разных металлов. Одна служит положительным электродом, а другая – отрицательным. Эти пластины помещены в электролит (рис. 13).

Однако, аккумуляторы, в отличие от гальванических элементов, являются многоразовыми устройствами.

Свое название они получили из-за того, что могут аккумулировать, то есть, накапливать электрическую энергию. А затем, отдавать накопленную энергию потребителям.

Химические реакции в аккумуляторах могут протекать в двух направлениях (зарядка — разрядка).

Перед использованием аккумулятор необходимо зарядить. Для этого используют специальные источники тока, которые называют зарядными устройствами. Они пропускают через аккумулятор ток зарядки.

Под воздействием этого тока в аккумуляторе протекают химические реакции, во время которых он накапливает электрические заряды. Один электрод заряжается положительно, а другой – отрицательно.

После, подключив к заряженному аккумулятору потребитель тока, можно использовать накопленную им энергию.

Называть аккумуляторы принято:
— по видам используемых жидкостей — кислотные, щелочные.
— либо по названию металлов, используемых в качестве электродов — свинцовые, железоникелевые, литиевые, и т. п.

В качестве пластин — электродов используют металлы: свинец, железо, литий, титан, кобальт, кадмий, никель, цинк, серебро, алюминий.

Существуют аккумуляторы с гелеобразным электролитом. Такие аккумуляторы можно наклонять в различные стороны, не боясь утечки электролита. Например, литий-полимерные батареи, используемые в мобильных телефонах.

Примечание: Чем больше геометрические размеры электродов источника, тем большую силу тока в полезной нагрузке он может обеспечить. Поэтому, аккумуляторы для автомобилей с ЭДС 12 и 24 Вольта, рассчитанные на большие токи нагрузки, имеют массу от 10 килограммов и большую.

Аналогия между источником тока и водяным насосом

Аналогию с потоком жидкости часто применяют по отношению к электрическому току.

Независимо от того, какой вид энергии превращается в электрическую, принцип работы источника тока чем-то напоминает работу водяного насоса. Различия в том, что источник тока перекачивает заряды, а не жидкость.

Рассмотрим замкнутый контур, состоящий из трубы и водяного насоса, который способен привести в движение воду, так, чтобы она начала циркулировать по трубе (рис. 14а).

Частицы воды будут двигаться и, ток воды будет циркулировать за счет разности давлений, которую будет создавать и поддерживать насос.

На рисунке 14 кружком с треугольником обозначен насос. Направление движения воды отмечено стрелкой. По левую сторону от насоса давление обозначено \(\large P_<1>\), по правую сторону — \(\large P_<2>\) (рис. 14а).

С помощью неравенства

отмечено, что давление слева от насоса будет больше давления справа.

Подобно движению частиц воды, заряды придут в движение и электрический ток будет циркулировать по замкнутой цепи за счет разности потенциалов, которую будет создавать включенная в эту цепь батарейка (рис. 14б) — источник тока.

Сила, перемещающая заряды во внешней цепи, появляется благодаря тому, что источник тока создает разность потенциалов на своих выводах и электрическое поле.

Слева и справа от источника отмечены потенциалы \(\large \varphi_<1>\) и \(\large \varphi_<2>\). При чем, потенциал слева от источника больше потенциала справа.

Это отмечено неравенством

\[\large \varphi_ <1>> \varphi_<2>\]

Обратите внимание: источник тока (сторонние силы) заставляет двигаться электроны – отрицательно заряженные частицы, от точки с меньшим потенциалом, в точку с потенциалом большим, а электрический ток направлен в противоположную сторону — от «+» к «-».

Разность потенциалов так же называют электрическим напряжением.

\[\large \Delta \varphi = \varphi_ <2>— \varphi_ <1>= U \]

\(\large \varphi \left( B \right) \) – потенциал, измеряется в Вольтах;

\(\large U \left( B \right) \) – напряжение, измеряется в Вольтах;

Источник



Какие существуют виды источников электрического тока?

Источник электрического тока – это устройство, с помощью которого создаётся электрический ток в замкнутой электрической цепи. В настоящее время изобретено большое количество видов таких источников. Каждый вид используется для определённых целей.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Виды источников электрического тока

Существуют следующие виды источников электрического тока:

  • механические;
  • тепловые;
  • световые;
  • химические.

Механические источники

В этих источниках происходит преобразование механической энергии в электрическую. Преобразование осуществляется в специальных устройствах – генераторах. Основными генераторами являются турбогенераторы, где электрическая машина приводится в действие газовым или паровым потоком, и гидрогенераторы, преобразующие энергию падающей воды в электричество. Большая часть электроэнергии на Земле производится именно механическими преобразователями.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Тепловые источники

Здесь преобразуется в электричество тепловая энергия. Возникновение электрического тока обусловлено разностью температур двух пар контактирующих металлов или полупроводников — термопар. В этом случае заряженные частицы переносятся от нагретого участка к холодному. Величина тока зависит напрямую от разности температур: чем больше эта разность, тем больше электрический ток. Термопары на основе полупроводников дают термоэдс в 1000 раз больше, чем биметаллические, поэтому из них можно изготавливать источники тока. Металлические термопары используют лишь для измерения температуры.

В настоящее время разработаны новые элементы на основе преобразования тепла, выделяющегося при естественном распаде радиоактивных изотопов. Такие элементы получили название радиоизотопный термоэлектрический генератор. В космических аппаратах хорошо себя зарекомендовал генератор, где применяется изотоп плутоний-238. Он даёт мощность 470 Вт при напряжении 30 В. Так как период полураспада этого изотопа 87,7 года, то срок службы генератора очень большой. Преобразователем тепла в электричество служит биметаллическая термопара.

Световые источники

С развитием физики полупроводников в конце ХХ века появились новые источники тока – солнечные батареи, в которых энергия света преобразуется в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников выдавать напряжение при воздействии на них светового потока. Особенно сильно этот эффект наблюдается у кремниевых полупроводников. Но всё-таки КПД таких элементов не превышает 15%. Солнечные батареи стали незаменимы в космической отрасли, начали применяться и в быту. Цена таких источников питания постоянно снижается, но остаётся достаточно высокой: около 100 рублей за 1 ватт мощности.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Химические источники

Все химические источники можно разбить на 3 группы:

  1. Гальванические
  2. Аккумуляторы
  3. Тепловые

Гальванические элементы работают на основе взаимодействия двух разных металлов, помещённых в электролит. В качестве пар металлов и электролита могут быть разные химические элементы и их соединения. От этого зависит вид и характеристики элемента.

ВАЖНО! Гальванические элементы используются только разово, т.е. после разряда их невозможно восстановить.

Существует 3 вида гальванических источников (или батареек):

  1. Солевые;
  2. Щелочные;
  3. Литиевые.

Солевые, или иначе «сухие», батарейки используют пастообразный электролит из соли какого-либо металла, помещённый в цинковый стаканчик. Катодом служит графито-марганцевый стержень, расположенный в центре стаканчика. Дешёвые материалы и лёгкость изготовления таких батареек сделали их самыми дешёвыми из всех. Но по характеристикам они значительно уступают щелочным и литиевым.

Какие существуют виды источников электрического тока?

В щелочных батарейках в качестве электролита используется пастообразный раствор щёлочи — гидрооксида калия. Цинковый анод заменён на порошкообразный цинк, что позволило увеличить отдаваемый элементом ток и время работы. Эти элементы служат в 1,5 раза дольше солевых.

В литиевом элементе анод сделан из лития — щелочного металла, что значительно увеличило продолжительность работы. Но одновременно увеличилась цена из-за относительной дороговизны лития. Кроме того, литиевая батарейка может иметь различное напряжение в зависимости от материала катода. Выпускают батарейки с напряжением от 1,5 В до 3,7 В.

Аккумуляторы — источники электрического тока, которые можно подвергать многим циклам заряда-разряда. Основными видами аккумуляторов являются:

  1. Свинцово-кислотные;
  2. Литий-ионные;
  3. Никель-кадмиевые.

Свинцово-кислотные аккумуляторы состоят из свинцовых пластин, погружённых в раствор серной кислоты. При замыкании внешней электрической цепи происходит химическая реакция, в результате которой свинец преобразуется в сульфат свинца на катоде и аноде, а также образуется вода. В процессе зарядки сульфат свинца на аноде восстанавливается до свинца, а на катоде до диоксида свинца.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Литий-ионный аккумулятор получил своё название из-за того, что в качестве носителя электричества в электролите служат ионы лития. Ионы возникают на катоде, который изготовлен из соли лития на подложке из алюминиевой фольги. Анод изготавливается из различных материалов: графита, оксидов кобальта и других соединений на подложке из медной фольги.

Напряжение в зависимости от применяемых компонентов может быть от 3 В до 4,2 В. Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда-разряда литий-ионные аккумуляторы приобрели большую популярность в бытовой технике.

ВАЖНО! Литий-ионные аккумуляторы очень чувствительны к перезарядке. Поэтому для их зарядки нужно использовать зарядные устройства, предназначенные только для них, которые имеют встроенные специальные схемы, предотвращающие перезаряд. Иначе может произойти разрушение аккумулятора и его возгорание.

Какие существуют виды источников электрического тока?

В никель-кадмиевых аккумуляторах катод сделан из соли никеля на стальной сетке, анод из соли кадмия на стальной сетке, а электролит — смесь гидроксида лития и гидроксида калия. Номинальное напряжение такого аккумулятора — 1,37 В. Он выдерживает от 100 до 900 циклов зарядки-разрядки.

Тепловые химические элементы служат как источники резервного питания. Они дают отличные характеристики по удельной плотности тока, но имеют короткий срок службы (до 1 часа). Применяются в основном в ракетной технике, где нужны надёжность и кратковременная работа.

Источник