Електричний струм, джерела електричного струму: визначення та сутність

З курсу фізики все знають, що під електричним струмом на увазі спрямоване впорядкований рух частинок, що несуть заряд. Для його отримання в провіднику утворюють електричне поле. Те ж необхідно для того, щоб продовжував існувати тривалий час електричний струм.

Джерела електричного струму можуть бути:

• статичними;
• хімічними;
• механічними;
• напівпровідниковими.

У кожному з них виконується робота, де розділяються різнозаряджені частки, тобто створюється електричне поле джерела струму. Розділившись, вони накопичуються на полюсах, в місцях приєднання провідників. Коли полюси з`єднуються провідником, частинки з зарядом починають рух, і утворюється електричний струм.

Джерела електричного струму: винахід електромашини

До середини сімнадцятого століття для отримання електричного струму потрібно чимало зусиль. У той же час зростала кількість вчених, що займаються цим питанням. І ось Отто фон Геріке винайшов першу в світі електричну машину. В одному з експериментів з сіркою вона, розплавлена всередині порожнього кулі зі скла, затверділа і розбила скло. Геріке зміцнив куля так, щоб його можна було крутити. Обертаючи його і притискаючи шматок шкіри, він отримував іскру. Це тертя помітно полегшило короткочасне отримання електрики. Але більш важкі завдання вдалося вирішити лише при подальшому розвитку науки.

Проблема полягала в тому, що заряди Геріке швидко зникали. Для збільшення тривалості заряду тіла поміщали в закриті посудини (скляні пляшки), а електрізуемость матеріалом виступала вода з цвяхом. Експеримент оптимізували, коли пляшку з обох сторін покривали провідним матеріалом (листами фольги, наприклад). В результаті зрозуміли, що можна було обійтися і без води.

Жаб`ячі лапки як джерело струму

Інший спосіб отримання електрики вперше відкрив Луїджі Гальвані. Будучи біологом, він працював в лабораторії, де експериментували з електрикою. Він бачив, як у мертвої жаби скорочувалася лапка при її порушенні іскрою від машини. Але одного разу той же самий ефект був досягнутий випадково, коли вчений доторкнувся до неї сталевим скальпелем.

Він став шукати причини, звідки з`явився електричний струм. Джерела електричного струму, за його фінального висновку, перебували в тканинах жаби.

Інший італієць, Алессандро Вольт, довів неспроможність «жаб`ячої» природи виникнення струму. Було відмічено, що найбільший струм виникав при додаванні міді і цинку в розчин сірчаної кислоти. Така комбінація отримала назву гальванічного або хімічного елемента.

Але використання такого засобу для отримання ЕРС стало б надто витратним. Тому вчені працювали над іншим, механічним, способом видобутку електричної енергії.

Як влаштований звичайний генератор?

На початку дев`ятнадцятого століття Г.Х. Ерстед виявив, що при проходженні струму через провідник виникало поле магнітного походження. А трохи пізніше Фарадей відкрив, що при перетині силових ліній цього поля в провідник наводиться ЕРС, яка викликає струм. ЕРС змінюється в залежності від швидкості руху і самих провідників, а також від напруженості поля. При перетині ста мільйонів силових ліній за секунду наведена ЕРС ставала рівною одному Вольту. Зрозуміло, що ручне проведення в магнітному полі не здатне дати великий електричний струм. Джерела електричного струму цього виду набагато більш ефективно показали себе з намотуванням дроту на велику котушку або виробництва її в формі барабана. Котушку насаджували на вал між магнітом і обертається водою або парою. Такий механічний джерело струму притаманний звичайним генераторам.

Великий Тесла

Відео: 11 Електричний струм Джерела електричного струму Електричне коло і її складові частини

Геніальний вчений з Сербії Нікола Тесла, присвятивши своє життя електрики, зробив багато відкриттів, які ми використовуємо і сьогодні. багатофазні електричні машини, асинхронні електричні мотори, передача енергії через багатофазних змінний струм - це далеко не весь перелік винаходів великого вченого.

Багато хто впевнений, що явище в Сибіру, що отримало назву Тунгуський метеорит, насправді викликав саме Тесла. Але, напевно, одним з найзагадковіших винаходів є трансформатор, здатний отримувати напругу до п`ятнадцяти мільйонів вольт. Незвичайним є як його пристрій, так і не піддаються відомим законам розрахунки. Але в ті часи почали розвивати вакуумну техніку, в якій не було неясностей. Тому про винахід вченого на деякий час забули.

Але сьогодні, з появою теоретичної фізики, до його робіт знову відновився інтерес. Ефір визнали газом, на який поширюються всі закони газової механіки. Саме звідти черпав енергію великий Тесла. Варто відзначити, що ефірна теорія була дуже поширена в минулому серед багатьох вчених. Лише з виникненням СТО - спеціальної теорії відносності Ейнштейна, в якій він спростовував існування ефіру, - про нього забули, хоча сформульована пізніше загальна теорія не заперечувала його як такого.

Але поки зупинимося докладніше на електричному струмі і пристроях, які повсюдно поширені сьогодні.

Розвиток технічних пристроїв - джерел струму

Такі прилади служать для перетворення різної енергії в електричну. Незважаючи на те що фізичні і хімічні способи отримання електричної енергії були відкриті давно, повсюдне поширення вони отримали лише з другої половини двадцятого століття, коли стала бурхливо розвиватися радіоелектроніка. Початкові п`ять гальванічних пар поповнилися ще 25 типами. А теоретично гальванічних пар може налічуватися кілька тисяч, так як вільна енергія може бути реалізована на будь-якому окисник і відновник.

Фізичні джерела струму

Фізичні джерела струму стали розвиватися трохи пізніше. Сучасна техніка пред`являла все більш жорсткі вимоги, і промислові термо- і термоемісійні генератори з успіхом справлялися з більшими завданнями. Фізичні джерела струму - це пристрої, де теплова, електромагнітна, механічна і енергія радіаційного випромінювання і ядерного розпаду перетворюється в електричну. Крім вищеназваних, до них також зараховують електромашинні, МГД генератори, а також службовці для перетворення сонячного випромінювання і атомного розпаду.

Щоб електричний струм у провіднику не зникав, потрібен зовнішній джерело для підтримки різниці потенціалів на кінцях провідника. Для цього служать джерела енергії, у яких є деяка електрорушійна сила для створення і підтримки різниці потенціалів. ЕРС джерела електричного струму вимірюється роботою, виконуваної при перенесенні плюсового заряду по всій замкненого кола.

Опір всередині джерела струму кількісно характеризує його, визначаючи величину втрат енергії при проходженні через джерело.

Потужність і коефіцієнт корисної дії дорівнюють відношенню напруги у зовнішній електричного кола до ЕРС.

Хімічні джерела струму

Хімічне джерело струму в електричному ланцюзі ЕРС є пристроєм, де енергія хімічних реакцій перетворюється в електричну.

В його основу входять два електроди: негативно заряджений відновник і позитивно заряджений окислювач, які контактують з електролітом. Між електродами виникає різниця потенціалів, ЕРС.

У сучасних пристроях часто використовуються:

Відео: Електричний струм. Джерела електричного струму (Гребенюк Ю.В.)

• в якості відновника - свинець, кадмій, цинк та інші;
• окислювача - гідроксид нікелю, оксид свинцю, марганцю та інші;
• електроліту - розчини з кислот, лугів або солей.

Широко використовують сухі елементи з цинку і марганцю. Береться посудину з цинку (володіє негативним електродом). Усередині поміщають позитивний електрод з сумішшю діоксиду марганцю з вугільним або графітовим порошком, яким скорочують опір. Електролітом виступає паста з нашатирю, крохмалю та інших складових.

Кислотний свинцевий акумулятор - це найчастіше вторинний хімічний джерело струму в електричному ланцюзі, що володіє високою потужністю, стабільно працює і має невисоку вартість. Акумулятори подібного виду використовуються в самих різних областях. Їх часто вважають за краще за стартерні батареї, які особливо цінні для автомобілів, де вони взагалі є монополістами.

Інший поширений акумулятор складається з заліза (анода), гідрату оксиду нікелю (катода) і електроліту - водного розчину калію або натрію. Активний матеріал розташовують в сталевих нікельованих трубках.

Застосування цього виду знизилася після пожежі на заводі Едісона в 1914 році. Однак, якщо порівнювати характеристики першого і другого виду акумуляторів, то виявиться, що експлуатація залізо-нікелевого може бути в рази довше свинцево-кислотного.

Генератори постійного і змінного струму

Генераторами називаються пристрої, які спрямовані на перетворення механічної енергії в електричну.

Найпростіший генератор постійного струму можна представити у вигляді рамки з провідника, яку помістили між магнітними полюсами, а кінці під`єднали до ізольованим півкільцями (колектора). Щоб виріб, слід забезпечити обертання рамки з колектором. Тоді в ній буде індукувати електричний струм, що змінює свій напрямок під впливом магнітних силових ліній. У зовнішній ланцюг він буде йти в єдиному напрямку. Виходить, що колектор буде випрямляти змінний струм, який виробляється рамкою. Для досягнення постійного струму колектор виготовляють з тридцяти шести і більше пластин, а провідник складається з безлічі рамок у вигляді обмотки якоря.

Розглянемо, яке призначення джерела струму в електричному ланцюзі. Дізнаємося, які ще джерела струму існують.

Електричне коло: електричний ток, сила струму, джерело струму

Електричне коло складається з джерела струму, який разом з іншими об`єктами створює шлях для струму. А поняття ЕРС, струму і напруги розкривають протікають при цьому електромагнітні процеси.

Найпростіша електричний ланцюг складається з джерела струму (батареї, гальванічного елемента, генератора і так далі), енергоспоживачів (електронагрівальних приладів, електричних двигунів та іншого), а також проводів, що з`єднують затискачі джерела напруги і споживача.

Електричне коло має внутрішню (джерело електроенергії) і зовнішню (дроти, вимикачі і рубильники, прилади для вимірювання) частини.

Вона буде працювати і мати позитивне значення тільки в тому випадку, якщо забезпечена замкнута ланцюг. Будь розрив стає причиною припинення протікання струму.

Електричне коло складається з джерела струму у вигляді гальванічних елементів, електроакумуляторів, електромеханічних і термоелектричних генераторів, фотоелементів і так далі.

Як електричні приймачів виступають електричні двигуни, які перетворюють енергію в механічну, освітлювальні і нагрівальні прилади, установки електролізних і так далі.

Допоміжним обладнанням є апарати, які використовуються для включення і виключення, вимірювальні прилади і захисні механізми.

Всі компоненти діляться на:

• активні (де електричне коло складається з джерела струму ЕРС, електричних двигунів, акумуляторів і так далі);
• пасивні (до яких відносяться електричні приймачі та сполучна проводка).

Ланцюг може бути також:

• лінійної, де опір елемента завжди характеризується прямою лінією;
• нелінійної, де опір залежить від напруги або струму.

Ось найпростіша схема, де в ланцюг включені джерело струму, ключ, електрична лампа, реостат.

Незважаючи на повсюдне поширення подібних технічних пристроїв, особливо останнім часом люди все більше задаються питаннями про встановлення альтернативних джерел енергії.

Різноманітність джерел електричної енергії

Які джерела електричного струму ще існують? Це далеко не тільки сонце, вітер, земля і припливи. Вони вже стали так званими офіційними альтернативними джерелами електроенергії.

Відео: Питання №2 § 32. Електричний струм. Джерела електричного струму - Фізика 8 клас (Перишкін)

Треба сказати, що альтернативних джерел існує ціла безліч. Вони не поширені, тому що поки не є практичними і зручними. Але, хто знає, може бути, майбутнє буде саме за ними.

Отже, електричну енергію можливо отримувати з солоної води. У Норвегії вже створена електростанція, яка застосовує цю технологію.

Електричні станції можуть працювати також на паливних елементах з твердооксидних електролітом.

Відомі п`єзоелектричні генератори, які отримують енергію завдяки кінетичної енергії (вже існують з такою технологією пішохідні доріжки, лежачі поліцейські, турнікети і навіть танцполи).

Є і наногенератор, які спрямовані на перетворення енергії в самому тілі людини в електричну.

Відео: Джерела електричного струму

А що ви скажете про водоростях, якими опалюють будинки, футбольних мечах, що генерують електричну енергію, велосипедах, здатних заряджати гаджети, і навіть дрібно нарізаною папері, яку використовують як джерела струму?

Величезні перспективи, звичайно, належать освоєння вулканічної енергії.

Все це є реаліями сьогоднішнього дня, над якими працюють вчені. Цілком можливо, що деякі з них вже зовсім скоро стануть абсолютно звичним явищем, подібно електрики в будинках сьогодні.

А може, хтось розкриє секрети вченого Ніколи Тесла, і людство зможе легко отримувати електроенергію з ефіру?