Ўнутраны супраціў крыніцы току. Супраціў - формула

Электрычны ток ў правадыру ўзнікае пад уздзеяннем электрычнага поля, які прымушае свабодныя зараджаныя часціцы прыходзіць у накіраванае рух. Стварэнне току часціц - сур'ёзная праблема. Зладзіць 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 даследаванні 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 «Лейдэнскага слоікам».

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

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

На 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.

першая крыніца

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

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

Вольта звярнуў увагу, што жывы арганізм з'яўляецца толькі індыкатарам электрычнага разраду. Пры праходжанні току мышцы лапак 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, прасякнутымі растворам электраліта, стваралі працяглы час неабходную рознасць патэнцыялаў. І хай яна была невысокая (1,1 У), але электрычны ток можна было даследаваць доўгі час. Галоўнае, што напружанне захоўвалася нязменным гэтак жа доўга.

Што адбываецца

Чаму ў 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 тока іёнаў ўнутры крыніцы. Сіла супраціву кіруе працягласцю працэсу.

Медна-цынкавы элемент

Прынцып дзеяння гальванічных элементаў цікава разгледзець на прыкладзе медна-цынкавага 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 у пазбяганне 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 высвобождаются 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, абложваючыся на меднай пласціне.

Сумуецца, што адбываецца: працэс працы гальванічнага элемента суправаджаецца пераходам электронаў аднаўляльніка да акісляльніка па знешняй часткі ланцуга. Рэакцыі ідуць на абодвух электродах. Усярэдзіне 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 за тое, 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 тока не дазваляе ўсім іёнам адначасова апынуцца на электродах, таму элемент працуе дастаткова доўга. Хімічныя рэакцыі адукацыі іёнаў рана ці позна спыняюцца, элемент разряжается.

Ўнутраны супраціў крыніцы току мае вялікае значэнне.

Крыху пра 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, што выкарыстоўваюцца ў побыце і тэхніцы, з другога - маецца значная процідзеянне. Фізіка як навука аб прыродзе спрабуе ўсталяваць баланс, прывесці ў адпаведнасць гэтыя акалічнасці.

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

супраціў

Ўнутраны супраціў крыніцы току і супрацьдзеянне знешняй часткі ланцуга маюць некалькі розную прыроду, але аднолькавым ў гэтых працэсах з'яўляецца здзяйсненне работы па перамяшчэнню зарада.

Сама праца залежыць толькі ад уласцівасцяў крыніцы і яго напаўнення: якасцяў электродаў і электраліта, гэтак 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 ў 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 - унутраны супраціў 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

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

• q · E = I ² · (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 замкнёным ланцугу прама прапарцыйная ЭРС крыніцы току і назад прапарцыйная агульнаму (поўнага) супраціву ланцуга.

Абапіраючыся на гэтую заканамернасць, можна вызначыць і ўнутраны супраціў 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 сталай.

Да прыкладу, стандартная батарэйка рознасці патэнцыялаў 1,5 У валодае разраднай ёмістасцю 0,5 А · г. 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 (парадку 16 гадзін токам 0,1 ёмістасці акумулятара);
• зарадка паніжальным токам да зададзенага значэння рознасці патэнцыялаў;
• выкарыстанне несіметрычных токаў;
• паслядоўнае прымяненне кароткіх імпульсаў зарадкі і разрадкі, пры якіх час першай перавышае час другі.

практычная работа

Прапануецца заданне: вызначыць ўнутраны супраціў крыніцы току і ЭРС.

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

Выкарыстанне закона Ома для замкнёным ланцугу дазволіць вызначыць ўнутраны супраціў крыніцы току. Для гэтага неабходна ведаць яго ЭРС, велічыню супраціву рэастата.

Разліковая формула супраціву току ў вонкавай частцы ланцуга можа быць вызначана з закона Ома для ўчастка ланцуга:

• I = U: R,

дзе I - сіла току ў вонкавай частцы ланцуга, вымяраецца амперметрам; U - напружанне на знешнім 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 вызначыць ЭРС крыніцы току, скарыстаемся тым, што напружанне на яго клеммах пры растуленым ключы практычна роўна ЭРС.

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

Ўнутраны 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 ўжываецца ў іх, наўпрост звязаны з працаздольнасцю прылад.