Является ли источником электрического тока компьютер
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.
Обозначения частей электрической цепи
Электрические цепи принято изображать с помощью специальных схем. На них все элементы обозначаются специальными условными знаками.
На рисунке 1 изображены такие знаки для источников тока и их систем, таких потребителей тока, как лампа и электрический звонок.
Также на рисунке 1 изображен условный знак для ключа. Его (а также рубильники, кнопки и различные выключатели) используют для того, чтобы включать или выключать приемники электрической энергии. Такие устройства называют замыкающими или размыкающими устройствами (рисунок 2).
В ходе изучения материала данного раздела вы будете знакомиться с различными новыми устройствами, которые используют в электричестве. При этом для каждого так же будет специальный условный знак. Так, вы познакомитесь с реостатами, конденсаторами, электрическими лампами и предохранителями.
Необходимые части электрической цепи
Итак, первое, что должно обязательно присутствовать в электрической цепи — это источник тока.
Он создаст электрическое поле и будет его поддерживать, возникнет электрический ток. Мы же можем использовать его энергию.
Каким образом? Для этого нам нужен потребитель или приемник электрической энергии. Так называют все электрические приборы, которые мы используем, начиная от простых лампочек и фонариков, заканчивая компьютерами, электродвигателями, различной бытовой техникой.
Источник тока и его потребитель необходимо соединить друг с другом проводами. По ним ток от источника будет достигать потребителя.
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.
Превращение механической энергии в электрическую
Чтобы разделить заряженные частицы в приборе, который станет источником тока, нужно совершить какую-то работу. В ходе этой работы происходит превращение какой-то энергии в электрическую энергию.
Но энергия не может возникнуть из ниоткуда. Значит, и сам источник тока требует какой-то энергии.
Например, на гидроэлектростанции происходит превращение механической энергии течения воды в электроэнергию (рисунок 3).
Строится плотина и водохранилище. Вода из него под действием силы тяжести течет вниз. Тем самым она вращает гидротурбину. К гидротурбине подсоединено такое устройство, как электрогенератор (о нем подробнее в конце урока). От него уже и выходит электрическая энергия. Ток течет по проводам и поступает к нам домой.
Рассмотрим еще один пример, в котором механическая энергия превращается в электрическую.
Так происходит в устройстве, которое называется электрофорной машиной (рисунок 4).
Она состоит из двух пластмассовых дисков 1. Между ними есть небольшое расстояние. Вращая ручку, находящуюся на задней поверхности машины, мы приведем в движение два диска. Они будут вращаться в разные стороны.
В результате, они электризуются благодаря трению о ту небольшую воздушную прослойку между ними. Заряды же накапливаются в лейденских банках 2. Оттуда они передаются на кондукторы 3.
В итоге, на одном кондукторе образуется положительный заряд, а на другом — отрицательный. В какой-то момент при их сближении появляется кратковременный ток в виде электрического разряда, который выглядит как маленькая молния.
Так механическая энергия вращения ручки машины перешла в электрическую.
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.
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.
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 \(\large P_\), по правую сторону — \(\large P_\) (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 \(\large \varphi_\) и \(\large \varphi_\). При чем, потенциал слева от источника больше потенциала справа.
Это отмечено неравенством
\[\large \varphi_ > \varphi_\]
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 «-».
Из прошлых уроков вы уже знаете, что для возникновения электрического тока должны выполняться определенные условия.
Во-первых, необходимо наличие зарядов в проводнике — свободных электронов или ионов. А во-вторых, обязательно наличие источника тока, который создает в проводнике электрическое поле, что и приводит к возникновению тока.
Все ли это необходимые условия? Нет, нам осталось изучить всего еще одно — наличие электрической цепи. Именно о ней и пойдет речь на данном уроке.
Упражнение №4
Нарисуйте схему цепи карманного фонаря (рисунок 7) и назовите части этой цепи. Какие элементы фонаря отмечены цифрами?
На рисунке 6 под цифрой 1 обозначены два источника тока (гальванических элемента или аккумулятора). Цифрой 2 обозначена лампа, а цифрой 3 — кнопка включения/выключения (замыкающее устройство).
Нарисуем схему цепи такого фонаря (рисунок 8).
На схеме у нас расположены все вышеперечисленные элементы, соединенные между собой проводами.
В рассмотренных нами электрических явлениях мы все время наблюдали перемещение электрических зарядов. Из механики вы знаете, что, если есть какое-то перемещение, то совершается работа.
Какая же работа совершается при движении электрических зарядов? Лампочки в наших домах и квартирах, все электроприборы, которыми мы ежедневно пользуемся — все это и есть следствие совершения электрическим полем работы по перемещению зарядов.
Тут же возникает следующий логичный вопрос. Как же эти заряды перемещаются? Что заставляет их двигаться? Вы все слышали об электрическом токе, но еще не заглядывали внутрь этого явления с помощью инструментов физики.
На данном уроке вы узнаете, что именно называют электрическим током и как его получают.
Замкнутость электрической цепи
Чтобы в цепи был ток, она должна быть замкнутой.
Что это означает? Цепь должна состоять только из проводников электричества.
Если в каком-то месте соединительный провод будет поврежден или оборван, то тока в цепи не будет. Именно на этом основывается действие замыкающих устройств.
Схема простейшей электрической цепи
Итак, самый простой вариант электрической цепи изображен на рисунке 3.
Из каких частей она состоит?
- Источник тока
- Приемник тока
- Замыкающее устройство
- Соединяющие провода
В данном случае источником тока является гальванический элемент или аккумулятор, приемником — лампочка, замыкающим устройством — ключ. Все эти элементы соединены между собой проводами.
Источники электрического тока
Электрическое поле создается и поддерживается источниками электрического тока.
Они могут быть самыми разными. Но объединяет их одно: в них разделяются положительно и отрицательно заряженные частицы.
При таком разделении у источников тока образуются два полюса. На одном скапливаются положительные заряды, а на другом — отрицательные. Создается электрическое поле.
В итоге, один полюс источника тока всегда будет заряжен положительно, а другой — отрицательно.
К этим полюсам с помощью специальных клемм или зажимов и подсоединяется проводник. Под действием электрического поля источника тока свободные заряженные частицы в проводнике приходят в движение. Так и возникает электрический ток.
Используя простой набор предметов, вы можете самостоятельно создать источник электрического тока. Пусть и слабый, но все же. Например, для этого сгодится даже обычный лимон (рисунок 2).
Для этого нам понадобятся два стержня: железный и медный. Воткнем их в лимон и соединим проводником. В нем возникнет электрический ток.
Это означает, что сок лимона вступает в химические связи с пластинами, провоцируя разделение зарядов. Подключив к этой системе прибор для измерения характеристик тока, мы только удостоверимся, что создали источник тока из подручных материалов.
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.
Рис. 6. Некоторые оксиды, а, так же, чистые вещества, при освещении видимым светом могут отдавать электроны
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.
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).
Рис. 8. Полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрическую, поэтому, из них изготавливают солнечные батареи
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.
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.
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.
Упражнения
Задания
Задание №2
По рисункам 9 и 10 расскажите, как на опыте наблюдают взаимодействие рамки с током и магнита.
Соберем электрическую цепь из источника тока, ключа, соединительных проводов и рамки с обмоткой из тонкой проволоки, соединенной с проводами. Рамку подвесим на нитях, чтобы была возможность отслеживать любое ее движение.
Замкнем ключ. По цепи пойдет ток. Рамка при этом останется неподвижной.
Теперь возьмем магнит. Поместим его так, чтобы рамка оказалась между его полюсами. Снова замкнем цепь. Теперь рамка пришла в движение — она начала поворачиваться.
Так проявляется магнитное действие электрического тока. Именно это явление используется в устройстве гальванометра.
Электрические заряды могут быть разными. Это могут быть электроны или ионы (положительно или отрицательно заряженные).
Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле. Под действием поля электрические заряды начнут перемещаться, возникнет электрический ток.
• наличие свободных электрических зарядов;
• наличие электрического поля, которое обеспечивает движение зарядов;
• замкнутая электрическая цепь.
Источник тока — это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.
В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника.
• Механический источник тока — механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Сюда относятся: электрофорная машина, динамо-машина, генераторы.
Диски электрофорной машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щёток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака.
К нему относится термоэлемент. Две проволоки из разных металлов спаяны с одного края. Затем место спая нагревают, тогда между другими концами этих проволок появляется напряжение.
• Световой источник тока — энергия света преобразуется в электрическую энергию. Сюда относится фотоэлемент.
При освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.
• Химический источник тока — внутренняя энергия преобразуется в электрическую в результате протекающих химических реакций.
Примером такого источника является гальванический элемент.
Угольный стержень У (с металлической крышкой М) помещают в полотняный мешочек, наполненный смесью оксида марганца с углём С, а затем в цинковый сосуд Ц. Оставшееся пространство заполняют желеобразным раствором соли Р. При протекании химической реакции цинк заряжается отрицательно (отрицательный электрод), а угольный стержень — положительно (положительный электрод). Между заряженным угольным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле.
Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания. Они являются одноразовыми. В быту часто используют батарейки, которые можно подзаряжать многократно. Их называют аккумуляторами.
Простейший аккумулятор состоит из сосуда, наполненного слабым раствором серной кислоты в воде, в который опущены две свинцовые пластины (электроды). Чтобы аккумулятор стал источником тока, его надо зарядить. Если обе пластины соединить с полюсами какого-либо источника электрической энергии, то электрический ток, проходя через раствор, зарядит один электрод положительно, а другой — отрицательно. Такие аккумуляторы называют кислотными или свинцовыми. Кроме них ещё существуют щелочные или железоникелевые аккумуляторы. В металлогидридных аккумуляторах отрицательный электрод состоит из порошкообразного железа, а положительный из гидроокиси никеля с добавками графита и окиси бария. Электролитом служит раствор едкого калия с добавками моногидрата лития.
Аккумуляторы используют в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах, железнодорожных вагонах и даже на искусственных спутниках Земли.
Наряду с источниками тока существуют различные потребители электроэнергии: лампы, пылесосы, компьютеры и многие другие.
- источник напряжения;
- потребители: резисторы, лампы, реостат.
- измерительные приборы: вольтметр, амперметр, ваттметр, омметр;
- соединительные провода;
- ключи для размыкания и переключения цепи.
Для поддержания электрического тока в цепи необходимы источники электрической энергии: источники электрического тока, источники электрического напряжения.
Источник ЭДС (идеальный источник напряжения) — двухполюсник, на зажимах которого электродвижущая сила (и напряжение) всегда поддерживается постоянным значением.
Источник электрического тока — двухполюсник, создающий ток постоянного значения, не зависящего от значения сопротивления на подключенной нагрузке. Внутреннее сопротивление такого источника приближается к бесконечности.
Необходимое условие существования тока - замкнутая цепь! Это означает, что все элементы цепи должны быть проводниками электричества и в цепи не должно быть разрывов. В случае размыкания цепи ток прекращает течь. Именно размыкание цепи и лежит в основе работы всех реле, кнопок и выключателей.
Порядок сборки электрической цепи указывается на специальном чертеже, который принято называть схемой.
Превращение энергии излучения в электрическую
Рассмотрим еще одно интересное превращение энергий. Возьмем пластину из кремния (или оксида меди, селена). Направим на нее включенную лампу (рисунок 6).
Опять мы увидим, что по проводнику течет ток. При этом у пластины происходит потеря отрицательного электрического заряда, она теряет электроны.
Так энергия излучения (свет от лампы) переходит в электрическую. Это явление называется фотоэффектом, а такой источник тока — фотоэлементом.
Термоэлементы и фотоэлементы вы более подробно изучите в старших классах.
Гальванометр. Магнитное действие тока в его устройстве
Для начала рассмотрим, как будет взаимодействовать проводник с током и магнит.
Для этого соорудим следующую конструкцию. На небольшую рамку закрепим несколькими витками тонкую медную проволоку. Сама рамка у нас будет подвешена на нитях, чтобы мы могли наблюдать любое ее движение.
Проволока, которой обвита рамка, подсоединена к полюсам источника тока. Замкнем ключ. Рамка останется неподвижной (рисунок 9).
А теперь возьмем магнит. Расположим его так, чтобы рамка с током оказалась между его полюсами (рисунок 10).
Теперь рамка начала поворачиваться! Именно это явление взаимодействия такой своеобразной катушки с током и магнитом лежит в основе устройства специального прибора — гальванометра (рисунок 11).
Гальванометр — это прибор, с помощью которого можно судить о наличии тока в проводнике.
На рисунке 11, а показан внешний вид этого прибора. На рисунке 11, б приведен условный знак, которым гальванометр обозначается на схеме электрической цепи.
Стрелка гальванометра связана с катушкой внутри самого прибора. Под катушкой мы подразумеваем провод намотанный на каркас из диэлектрика.
Эта катушка внутри прибора находится в магнитном поле. Когда по катушке течет ток, стрелка отклоняется. Так, при подсоединении гальванометра в цепь, мы можем судить о наличии в ней электрического тока.
Типы зарядных устройств
Если аккумуляторы требуют зарядки, значит существуют специальные устройства, с помощью которых это можно осуществить — зарядные устройства.
Они классифицируются по множеству параметров.
По методу заряда:
- С постоянным током
Обеспечивают быструю зарядку, но способствуют более быстрому изнашиванию аккумуляторов - С постоянным напряжением
Более медленная зарядка, но безопаснее для аккумулятора - Смешанного типа
Совмещают в себе два вышеприведенных вида, поэтому являются наилучшим вариантом. Способны увеличивать емкость аккумулятора и увеличивать срок его службы
По способу применения:
В зависимости от совместимости с другим источником энергии:
- Сетевые
Предназначены для подключения к стандартным сетям 220 В или 380 В, т. е. требуют простого подключения к розетке - Аккумуляторные
Имеют собственный накопитель энергии. Используют в качестве резервного накопителя, позволяющего заряжать другие устройства при отсутствии доступа к сети - Автомобильные
Подключаются через прикуриватель. С их помощью в машине можно зарядить телефон, фотоаппарат и другую технику - Беспроводные
Не требуют кабельного соединения, передает энергию без непосредственного физического контакта аккумулятора и источника - Универсальные
Соединяют в себе от нескольких до всех перечисленных видов зарядных устройств
Электрический ток
Само слово «ток» подразумевает под собой движение.
В некоторых телах (проводниках) есть свободные электроны, которые могут переносить электрический заряд. Этот заряд будет отрицательный, ведь электроны именно таким и обладают.
А есть ли еще какие-то частицы в телах, способные переносить заряд? Оказывается, что есть.
Если обычные атомы электрически нейтральны, то ионы обладают некоторым зарядом. Он может быть как отрицательным, так и положительным. Эти частицы крупнее электронов, но тоже могут переносить электрический заряд.
Значит, электроны или ионы могут как-то перемещаться в проводниках. Отсюда и следует определение электрического тока (рисунок 1).
Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.
Обратите внимание, что это движение направленное, а не беспорядочное. Когда мы говорим, что по телу идет ток, мы подразумеваем определенное его направление. О том, какое же это направление мы поговорим в отдельном уроке.
Электрический ток не может возникнуть сам по себе. Что же нужно создать в проводнике, чтобы в нём возник и существовал ток?
Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нем электрическое поле.
При появлении электрического поля, возникнут и электрические силы. Они приведут в движение заряженные частицы. Именно так и возникает электрический ток.
Хорошо, вот создали мы электрическое поле, появился ток. Логично предположить, что если электрическое поле исчезнет, то исчезнет и ток.
Значит, для более длительного существования тока нам необходимо поддерживать постоянное существование электрического поля.
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:
- Проводящие жидкости называют электролитами.
- 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.
Световое действие тока
Старые лампы накаливания излучают свет больше за счет высокой температуры, которую имеет вольфрамовая проволока в их устройстве. Поэтому в их работе наблюдается больше тепловое действие тока.
Но во второй половине XX века были изобретены новые источники света. Здесь уже не играет роль температура самого проводника, а происходят более сложные процессы.
Наверное, вы уже догадались, что речь идет о светодиодных лампах (рисунок 12). На данный момент именно такие лампы чаще всего мы используем в повседневной жизни.
Световое действие проявляется в возникновении светового излучения при прохождении тока.
Превращение внутренней энергии в электрическую
Теперь рассмотрим превращение внутренней энергии в электрическую. Для этого возьмем две проволоки и спаяем их друг с другом. А затем нагреем это место спая (рисунок 5).
В результате этого нагрева в проволоке возникнет электрический ток. Прибор, соединенный с нашей проволокой называется гальванометром. Принцип его работы мы рассмотрим позже, а пока будем использовать это устройства для определения наличия электрического тока в проводнике. Стрелка отклонилась — ток есть, стрелка осталась на месте — тока нет.
Такой источник тока, состоящий из нагревателя и самого место спая проволок из разных металлов называют термоэлементом.
В термоэлементах внутренняя энергия превращается в электрическую.
Упражнение №3
На рисунке 6 дана схема соединения лампы и двух переключателей. Рассмотрите схему и подумайте, где можно применить такую проводку.
Обратите внимание, таким способом изображают ключи\переключатели, связанные между собой. Т.е. при замыкании одного замыкается и другой, и наоборот.
Такую проводку удобно использовать в больших помещениях. Например, заходя в длинный коридор, вы включаете свет рядом с дверью. Идете в другой конец коридора до другого помещения, и нужно выключить за собой свет. Рядом с вами находится вторая кнопка. Нажав на нее, вы выключаете свет.
Также можно использовать такой вариант электрической цепи, если включать/выключать свет необходимо разным людям из разных мест помещения.
Тепловое действие тока в твердых телах
Это самое первое и очевидное для нас действие тока.
Тепловое действие тока проявляется в том, что среда, в которой он протекает, нагревается.
Например, это действие мы используем в таких повседневных приборах, как утюг, электрочайник, кофеварка. В обычных лампах накаливания тоже наблюдается тепловое действие тока (рисунок 1).
В таких лампах присутствует тонкая вольфрамовая проволока, которая при протекании по ней тока нагревается настолько, что раскаляется добела. Если мы поднесем руку к такой лампе, то почувствуем тепло. Это и есть наглядное тепловое действие тока.
Конечно, здесь еще присутствует факт того, что эта спираль не только дает тепло, но еще и светится. О световом действии тока мы поговорим чуть ниже.
Как можно наблюдать на опыте тепловое действие тока? Давайте проведем такой опыт, чтобы убедиться в наличии именно теплового действии тока.
Подключим к источнику тока железную или никелевую проволоку, как показано на рисунке 2.
После замыкания ключа в цепи появится ток. Проволока ощутимо нагреется. При этом она немного удлинится и провиснет. Заметьте, что до пропускания через нее тока она была плотно натянута (на рисунке исходное положение обозначено пунктирной линией).
Химическое действие тока в жидкостях
Как можно на опыте пронаблюдать химическое действие тока? Вернемся к предыдущему опыту и более внимательно приглядимся к электродам, опущенным в воду (рисунок 4).
Мы увидим, что даже в обычной воде вокруг электродов образуются мелкие пузырьки газа. Они не могут возникнуть сами по себе. Значит, происходит какая-то химическая реакция.
Обратите внимание, что здесь речь идет не о кипении, где мы ранее наблюдали образование пузырьков. Сами электроды еле теплые, мы можем спокойно потрогать их руками. Температура воды тоже далека от ее температуры кипения. Получается, что наличие этих пузырьков — это результат химических реакций, происходящих в воде, при пропускании через нее электрического тока.
Проведем еще один опыт, который более наглядно продемонстрирует нам химическое действие тока.
Заменим воду в сосуде из прошлого опыта на раствор медного купороса $CuSO_4$. Он имеет голубо-зеленоватый цвет. Металлические электроды заменим угольными (рисунок 5).
Замкнем ключ. По цепи пойдет ток. А теперь внимательно взглянем на электрод, соединенный с отрицательным полюсом источника тока. На нем образовался красноватый налет.
Что это? Откуда он взялся? Это чистая медь $Cu$. Под действием тока она выделилась из сложного соединения и отложилась на отрицательном электроде.
Химическое действие тока проявляется в том, что при его прохождении через растворы солей, кислот, щелочей на электродах выделяется чистое вещество.
Это действие тока активно применяется на практике в электрометаллургии для получении чистых металлов без каких-либо примесей (рисунок 6).
Эту методику применяют для нанесения на поверхность различных предметов тонким слоем никеля, серебра, золота. Это придает предметам красивый эстетический вид и защищает их от преждевременного ржавления.
Применение аккумуляторов
Применение аккумуляторов настолько широко, что даже сейчас, изучая данный урок, вы используете аккумуляторы. Они есть в наших телефонах, компьютерах, планшетах.
В большинстве видов транспорта также задействованы аккумуляторы. Двигатель машины не заведется, если аккумулятор под капотом будет разряжен. Аккумуляторы приводят в движение и строительную технику, и сельскохозяйственную, и даже самолеты. Современные электромобили в самой своей основе имеют мощный аккумулятор.
Аккумуляторы играют большую роль в аварийных ситуациях: они могут поддержать работу других электрических приборов достаточное время для устранения неполадок.
Аккумулятор
Еще один крайне популярный источник тока — аккумулятор. Он представляет собой ту же батарейку, только теперь ее можно многократно подзаряжать (рисунок 8, а).
Как устроен аккумулятор? Его простейший вариант представляет собой две свинцовые пластины, помещенные в раствор серной кислоты (рисунок 8, б). Пластины будут являться электродами, создающими электрическое поле.
Но изначально аккумулятор не создает никакого поля. Его нужно зарядить. Для этого берут еще один источник тока, соединяют его с аккумулятором и пропускают через него ток.
Во время такой зарядки внутри аккумулятора начинают происходить химические реакции. Один электрод (пластина) становится положительно заряженной, а другой — отрицательно.
Теперь аккумулятор сам становится источником тока. Он имеет два полюса, обозначенные плюсом (+) и минусом (-).
Помните, что при зарядке аккумулятора важно соблюдать правильное соединение с другим источником тока. Положительный полюс аккумулятора следует соединять с положительным полюсом источника тока, а отрицательный — с отрицательным.
Рассмотренный нами аккумулятор называется свинцовым (по материалу пластин) или кислотным (по названию заполняющей его жидкости).
Наравне с кислотными аккумуляторами широко применяют и щелочные (или никелевые) аккумуляторы. Можно подумать, что в таком устройстве две пластины будут из никеля, но на деле из никеля состоит только одна. Вторая изготавливается из спресованного железного порошка.
Также существуют и другие виды аккумуляторов: литий-ионные, литий-полимерные, гелиевые аккумуляторы, никель-металл-гибридные.
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:
- механические – генераторы,
- тепловые – термопары, термогенераторы,
- световые (фотоэлектрические) – солнечные батареи и фотоэлементы,
- химические – гальванические элементы и аккумуляторы.
Рассмотрим подробнее эти виды.
Генераторы
Получить электрический ток можно с помощью специального устройства — генератора.
Генераторы превращают механическую энергию в электрическую, иногда достаточно сложными способами.
Они применяются во всех транспортных средствах для выработки электроэнергии при движении транспорта. Эта энергия идет в том числе и на зарядку аккумулятора.
Генераторы стоят на электростанциях, гидроэлектростанциях, атомных электростанциях генераторы используются для выработки электроэнергии. Существуют даже геотермальные электростанции, на которых установлены генераторы электрического тока. В таких местах насыщенный пар из пробуренной скважины направляется в паровые турбины, соединенные с генераторами. Так внутренняя энергия пара переходит в механическую энергию, а затем в электрическую.
Вы уже изучили природу процесса протекания тока по металлическому проводнику. Но собственными глазами мы не может увидеть передвижение электронов или само электрическое поле. Как тогда в жизни мы можем понять, что ток в цепи есть без использования электроприборов и других специальных измерительных устройств?
Дело в том, что при прохождении тока по проводнику возникают различные побочные явления. Эти явления называю действиями тока.
Именно о них мы и поговорим на этом уроке. Многие такие явления легко пронаблюдать на опытах. Давайте же перейдем к более детальному их рассмотрению.
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.
Упражнение №2
Придумайте схему соединения гальванического элемента, звонка и двух кнопок, расположенных так, чтобы можно было позвонить из двух разных мест.
Чтобы звонить из двух разных мест мы можем разместить кнопки, как показано на рисунке 5.
Второй ключ (кнопку) можно разместить и с другой стороны цепи похожим способом.
Магнитное действие тока
Сразу начнем с проведения опыта. Возьмем медный провод, покрытый изоляционным материалом. Намотаем его на гвоздь. Концы его (провода) соединим с источником тока и ключом (рисунок 8).
Замкнем цепь. Поднесем гвоздь к кучке мелких металлических предметов, например, других мелких гвоздиков.
Что мы увидим? Гвоздь притянет к себе другие железные предметы — он стал магнитом. Если мы разомкнем цепь, то гвоздь размагнитится.
Самое интересное, что магнитное действие тока является универсальным. Оно проявляется и в твердых телах, и в жидкостях, и в газах. Кроме того, если заставить заряд направленно двигаться в сильно разреженном пространстве (такое явление называют током в вакууме), то и здесь можно наблюдать его магнитное действие.
Гальванический элемент
Одним из самых распространенных источников тока является гальванический элемент. Его же мы и будем использовать в различных опытах. Поэтому мы рассмотрим его более подробно.
Что такое гальванический элемент простыми словами? Это всем нам хорошо известная батарейка.
Заглянем внутрь нее (рисунок 7), чтобы разобраться, как она работает.
Этот элемент в своей основе (рисунок 7, б) представляет собой цинковый корпус 2, внутри которого находится угольный стержень 3. На верхнем конце этого стержня находится металлическая крышка 1.
Стержень окружен смесью 4 оксида марганца (IV) $MnO_2$ и измельченного углерода $C$. Между этой смесью и самим корпусом находится желеобразный раствор соли 5 (хлорида аммония $NH_4Cl$).
В чем же суть? Дело в том, что цинк $Zn$, из которого состоит корпус, взаимодействует с хлоридом аммония $NH_4Cl$. Идет химическая реакция. Цинковый сосуд приобретает отрицательный заряд.
А вот оксид марганца имеет положительный заряд. Угольный стержень передает его на металлическую крышку.
Итак, мы имеем отрицательно заряженный корпус и положительно заряженный стержень. Они будут называться электродами. Между ними возникает электрическое поле.
Само понятие электрода синонимично с понятием полюса. «Электрод» больше используется в описании электрических явлений и приборов, а «полюс» чаще применяют, когда говорят о магнитах.
Соединим эти два электрода проводником. По нему потечет электрический ток. Так энергия химических реакций превращается в электрическую.
Химическое действие тока в твердых телах и газах
В твердых телах атомы, молекулы или ионы прочно связаны между собой. Они находятся в узлах кристаллической решетки и способны совершать колебания. Действия тока обычно недостаточно для того, чтобы вырвать их со своих положений. Поэтому, говорят, что обычно химического действия тока в твердых телах не наблюдается.
В газах же возможно наблюдать такое действие. Вспомните электрофорную машину, где между электродами проскакивает искра.
После пропускания электрических искр через воздух, возникает характерный запах. По этому факту и ряду других было открыто такое химическое соединение как озон $O_3$ (рисунок 7). Оно состоит из трех молекул кислорода и обладает сильными окислительными свойствами. Это позволяет его широко использовать в качестве дезинфицирующего средства.
Задание №1
Рассмотрите рисунок 8, на котором изображена установка для наблюдения магнитного действия тока. Что представляет собой каждая часть этой установки? Расскажите, как протекает опыт.
В верхней части рисунка изображен источник тока. К его положительному полюсу подсоединена проволока в изолирующем материале (провод). Далее этот провод намотан на обычный железный гвоздь. От гвоздя провод тянется до ключа, а от ключа до источника тока (его отрицательного полюса).
На рисунке ключ замкнут. В цепи течет электрический ток. Железный гвоздь моментально намагничивается — становится магнитом. Он притягивает к себе другие мелкие железные предметы.
Как только мы разомкнем цепь, по проводам перестанет идти ток. Железный гвоздь размагнитится. Все мелкие предметы, ранее примагниченные к нему, отпадут.
Тепловое действие тока в жидкостях и газах
Проволока в опыте выше представляла собой твердое тело. А будет ли проявляться тепловое действие тока в жидкостях или газах? Будет!
Для этого проведем следующий опыт. Возьмем сосуд с обычной водой и опустим туда две металлические пластины (рисунок 3). Присоединим их с помощью проводов к источнику тока. Теперь эти пластины будут являться электродами.
Опустим в воду термометр и зафиксируем температуру. Замкнем ключ, и по цепи пойдет электрический ток.
Через 10-15 секунд вы уже увидите, что столбик термометра пополз вверх. Температура воды стала увеличиваться.
Как это можно объяснить? Электрическое поле заставляет электроны двигаться в определенном направлении. Их скорость увеличивается. Значит, увеличивается и их кинетическая энергия ($E_к = \frac$).
При своем движении эти электроны будут неизбежно сталкиваться с другими частицами вещества (в нашем случае — воды). При столкновении они будут передавать часть своей энергии этим частицам. Значит, при прохождении тока через воду ее частицы получают какую-то дополнительную энергию. Общая внутренняя энергии воды увеличивается. А вы знаете, что именно это и приводит к повышению температуры.
Опыт, подтверждающий тепловое действие тока в воздухе, мы проделывать не будем, по причине его большой сложности. В общем, явлений, где проявляется тепловое действие тока в воздухе очень мало. Но, например, молния — наглядное природное явление, где тепловое действие тока тоже заметно.
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).
Рис. 7. Металлический катод и сетчатый анод в прозрачном стеклянном баллоне образуют вакуумный фотоэлемент
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.
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.
Упражнение №1
Начертите схему цепи, содержащей один гальванический элемент и два звонка, каждый из которых можно включать отдельно.
Что будет отвечать в цепи за включение звонка? Ключ. А так как у нас два звонка и каждый нужно включать независимо от другого, то и ключа должно быть два (рисунок 4).
Обратите внимание на расположение звонков. Если мы соединим их просто один друг за другом, это будет неверным вариантом решения. Ведь если тогда выключим один звонок, он будет являться для второго своеобразным «оборванным проводом», и второй звонок работать не будет.
Читайте также: