Sähkövirta, sähkövirran lähteet: määritelmä ja olemus

2024 Kirjoittaja: Henry Conors | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-02-12 07:02

Fysiikan kurssilta kaikki tietävät, että sähkövirralla tarkoitetaan varausta kantavien hiukkasten suunnattua järjestettyä liikettä. Sen saamiseksi johtimeen muodostetaan sähkökenttä. Sama on tarpeen, jotta sähkövirta voi jatkua pitkään.

Sähkövirran lähteitä voivat olla:

• staattinen;
• kemiallinen;
• mekaaninen;
• puolijohde.

Jokaisessa niistä tehdään työtä, jossa erotetaan eri tavalla varautuneita hiukkasia, eli syntyy virtalähteen sähkökenttä. Erottuna ne kerääntyvät napoihin, johtimien liitoskohtiin. Kun navat yhdistetään johtimella, varautuneet hiukkaset alkavat liikkua ja muodostuu sähkövirta.

Sähkövirran lähteet: sähkökoneen keksintö

1700-luvun puoliväliin asti se kesti paljonponnisteluja. Samaan aikaan tätä asiaa käsittelevien tutkijoiden määrä on kasvanut. Ja niin Otto von Guericke keksi maailman ensimmäisen sähköauton. Yhdessä rikkikokeissa onton lasipallon sisällä sulanut se kovetti ja rikkoi lasin. Guericke vahvisti palloa niin, että se voitiin vääntyä. Hän sai kipinän kääntämällä sitä ja painamalla ihopalaa. Tämä kitka helpotti suuresti lyhytaikaista sähköntuotantoa. Mutta vaikeammat ongelmat ratkesivat vasta tieteen kehittyessä.

Ongelmana oli, että Gueriken syytteet katosivat nopeasti. Varauksen keston pidentämiseksi ruumiit laitettiin suljettuihin astioihin (lasipulloihin), ja sähköistetty materiaali oli vettä naulan kanssa. Kokeilu optimoitiin, kun pullo peitettiin molemmilta puolilta johtavalla materiaalilla (esim. foliolevyillä). Tämän seurauksena he ymmärsivät, että se on mahdollista ilman vettä.

Sammakonjalat virtalähteenä

Toisen tavan tuottaa sähköä keksi ensimmäisenä Luigi Galvani. Biologina hän työskenteli laboratoriossa, jossa he kokeilivat sähköä. Hän näki kuinka kuolleen sammakon jalka supistui, kun se kiihtyi koneen kipinästä. Mutta eräänä päivänä sama vaikutus saavutettiin vahingossa, kun tiedemies kosketti häntä teräsveitsellä.

Hän alkoi etsiä syitä, miksi sähkövirta tuli. Hänen lopullisen päätelmänsä mukaan sähkövirran lähteet olivat sammakon kudoksissa.

Toinen italialainen, Alessandro Volto, osoitti virran "sammakko"-luonteen epäonnistumisen. On havaittu, että suurin virtasyntyi, kun kuparia ja sinkkiä lisättiin rikkihappoliuokseen. Tätä yhdistelmää kutsutaan galvaaniseksi tai kemialliseksi kennoksi.

Mutta tällaisen työkalun käyttäminen EMF:n hankkimiseen olisi liian kallista. Siksi tiedemiehet ovat työstäneet erilaista, mekaanista tapaa tuottaa sähköenergiaa.

Kuinka tavallinen generaattori toimii?

1800-luvun alussa G. H. Oersted havaitsi, että kun virta kulki johtimen läpi, syntyi magneettinen kenttä. Hieman myöhemmin Faraday huomasi, että kun tämän kentän voimalinjat risteävät, johtimeen indusoituu EMF, joka aiheuttaa virran. EMF vaihtelee liikenopeuden ja itse johtimien sekä kentänvoimakkuuden mukaan. Ylittäessään sata miljoonaa voimalinjaa sekunnissa indusoituneesta EMF:stä tuli yhtä volttia. On selvää, että manuaalinen johtaminen magneettikentässä ei pysty tuottamaan suurta sähkövirtaa. Tämän tyyppiset sähkövirtalähteet ovat osoittautuneet paljon tehokkaammin kelaamalla lanka suurelle kelalle tai valmistamalla sen rummun muotoon. Kela asennettiin akselille magneetin ja pyörivän veden tai höyryn väliin. Tällainen mekaaninen virtalähde on luontainen perinteisille generaattoreille.

Upea Tesla

Serbialainen loistava tiedemies Nikola Tesla, joka on omistanut elämänsä sähkölle, teki monia löytöjä, joita käytämme edelleen. Monivaiheiset sähkökoneet, asynkroniset sähkömoottorit, voimansiirto monivaiheisen vaihtovirran kautta - tämä ei ole koko luettelo.suuren tiedemiehen keksinnöt.

Monet uskovat, että Tunguskan meteoriitiksi kutsuttu ilmiö Siperiassa johtui itse asiassa Teslan vaikutuksesta. Mutta ehkä yksi salaperäisimmista keksinnöistä on muuntaja, joka pystyy vastaanottamaan jännitteen jopa viiteentoista miljoonaan volttiin. Epätavallinen on sekä sen laite että laskelmat, jotka eivät anna periksi tunnetuille laeille. Mutta niinä päivinä he alkoivat kehittää tyhjiötekniikkaa, jossa ei ollut epäselvyyksiä. Siksi tiedemiehen keksintö unohdettiin hetkeksi.

Mutta nykyään, teoreettisen fysiikan myötä, kiinnostus hänen työhönsä on herännyt uudelleen. Eetteri tunnistettiin kaasuksi, johon sovelletaan kaikki kaasumekaniikan lait. Sieltä suuri Tesla sai energiaa. On syytä huomata, että eetteriteoria oli aiemmin hyvin yleinen monien tiedemiesten keskuudessa. Vasta SRT:n - Einsteinin erityissuhteellisuusteorian, jossa hän kiisti eetterin olemassaolon - ilmaantumisen se unohdettiin, vaikka myöhemmin muotoiltu yleinen teoria ei kiistänyt sitä sellaisenaan.

Mutta toistaiseksi keskitytään sähkövirtaan ja laitteisiin, jotka ovat kaikkialla nykyään.

Teknisten laitteiden kehitys - nykyiset lähteet

Tällaisia laitteita käytetään muuntamaan eri energiat sähköenergiaksi. Huolimatta siitä, että fysikaaliset ja kemialliset menetelmät sähköenergian tuottamiseksi löydettiin kauan sitten, ne yleistyivät vasta 1900-luvun jälkipuoliskolla, jolloin se alkoi kehittyä nopeasti.radioelektroniikka. Alkuperäiset viisi galvaaniparia täydennettiin 25 uudella tyypillä. Ja teoriassa galvaanisia pareja voi olla useita tuhansia, koska vapaata energiaa voidaan toteuttaa millä tahansa hapettimella ja pelkistimellä.

Fyysiset virtalähteet

Fyysiset virtalähteet alkoivat kehittyä hieman myöhemmin. Moderni tekniikka asetti yhä tiukempia vaatimuksia, ja teolliset lämpö- ja lämpögeneraattorit selviytyivät menestyksekkäästi lisääntyvistä tehtävistä. Fysikaaliset virtalähteet ovat laitteita, joissa lämpö-, sähkömagneettinen, mekaaninen ja säteily- ja ydinvoima hajoamisenergia muunnetaan sähköenergiaksi. Edellä mainittujen lisäksi ne sisältävät myös sähkökoneita, MHD-generaattoreita sekä niitä, joita käytetään muuntamaan auringonsäteilyä ja atomien hajoamista.

Jotta sähkövirta johtimesta ei katoa, tarvitaan ulkoinen lähde, joka ylläpitää potentiaalieroa johtimen päissä. Tätä varten käytetään energialähteitä, joilla on jonkin verran sähkömotorista voimaa potentiaalieron luomiseksi ja ylläpitämiseksi. Sähkövirtalähteen EMF mitataan työllä, joka tehdään siirtämällä positiivinen varaus suljetussa piirissä.

Virtalähteen sisällä oleva vastus luonnehtii sitä kvantitatiivisesti ja määrittää energiahäviön määrän lähteen läpi kulkeessaan.

Teho ja hyötysuhde ovat yhtä suuria kuin ulkoisen sähköpiirin jännitteen suhde EMF:ään.

Kemialliset lähteetnykyinen

Kemiallinen virtalähde sähköpiirissä EMF on laite, jossa kemiallisten reaktioiden energia muunnetaan sähköenergiaksi.

Se perustuu kahteen elektrodiin: negatiivisesti varautuneeseen pelkistimeen ja positiivisesti varautuneeseen hapettimeen, jotka ovat kosketuksissa elektrolyytin kanssa. Potentiaaliero syntyy elektrodien välillä, EMF.

Nykyaikaiset laitteet käyttävät usein:

• pelkistysaineena - lyijy, kadmium, sinkki ja muut;
• hapetin - nikkelihydroksidi, lyijyoksidi, mangaani ja muut;
• elektrolyytti - happojen, alkalien tai suolojen liuokset.

Sinkin ja mangaanin kuivasoluja käytetään laaj alti. Otetaan sinkistä valmistettu astia (jossa on negatiivinen elektrodi). Positiivinen elektrodi asetetaan sisälle mangaanidioksidin ja hiilen tai grafiittijauheen seoksen kanssa, mikä vähentää vastusta. Elektrolyytti on ammoniakin, tärkkelyksen ja muiden komponenttien tahna.

Lyijyakku on useimmiten toissijainen kemiallinen virtalähde sähköpiirissä, jolla on suuri teho, vakaa toiminta ja alhaiset kustannukset. Tämän tyyppisiä paristoja käytetään useilla alueilla. Niitä suositaan usein käynnistysakkuissa, jotka ovat erityisen arvokkaita autoissa, joissa niillä on yleensä monopoli.

Toinen yleinen akku koostuu raudasta (anodista), nikkelioksidihydraatista (katodista) ja elektrolyytistä – kaliumin tai natriumin vesiliuoksesta. Aktiivinen materiaali laitetaan niklattuihin teräsputkiin.

Tämän lajin käyttö väheni Edisonin tehtaan tulipalon jälkeen vuonna 1914. Jos kuitenkin vertaamme ensimmäisen ja toisen tyypin akkujen ominaisuuksia, käy ilmi, että rauta-nikkelin toiminta voi olla monta kertaa pidempi kuin lyijyhapon.

DC- ja AC-generaattorit

Generaattorit ovat laitteita, joiden tarkoituksena on muuttaa mekaaninen energia sähköenergiaksi.

Yksinkertaisin DC-generaattori voidaan esittää johtimen kehyksenä, joka asetettiin magneettinapojen väliin ja päät liitettiin eristettyihin puolirenkaisiin (kollektoriin). Jotta laite toimisi, on varmistettava kehyksen pyöriminen keräimen kanssa. Sitten siihen indusoituu sähkövirta, joka muuttaa suuntaa magneettikenttälinjojen vaikutuksesta. Ulkoketjussa se kulkee yhteen suuntaan. Osoittautuu, että kollektori tasaa kehyksen tuottaman vaihtovirran. Vakiovirran saavuttamiseksi kollektori on valmistettu kolmestakymmenestäkuudesta tai useammasta levystä ja johdin koostuu useista kehyksistä ankkurikäämin muodossa.

Pohditaan, mikä on virtalähteen tarkoitus sähköpiirissä. Selvitetään, mitä muita nykyisiä lähteitä on olemassa.

Sähköpiiri: sähkövirta, virran voimakkuus, virtalähde

Sähköpiiri koostuu virtalähteestä, joka yhdessä muiden kohteiden kanssa muodostaa polun virralle. Ja käsitteet EMF, virta ja jännite paljastavat tässä tapauksessa tapahtuvat sähkömagneettiset prosessit.

Yksinkertaisin sähköpiiri koostuu virtalähteestä (akku, galvaaninen kenno, generaattori ja niin edelleen), energiankuluttajista (sähkölämmittimet, sähkömoottorit jne.) sekä johtimista, jotka yhdistävät jännitteen liittimet lähde ja kuluttaja.

Sähköpiirissä on sisäisiä (sähkönlähde) ja ulkoisia (johdot, kytkimet ja kytkimet, mittauslaitteet) osia.

Se toimii ja sillä on positiivinen arvo vain, jos käytössä on suljettu piiri. Kaikki katkokset pysäyttävät virran.

Sähköpiiri koostuu virtalähteestä galvaanisten kennojen, sähköakkujen, sähkömekaanisten ja lämpösähköisten generaattoreiden, valokennojen ja niin edelleen muodossa.

Sähkömoottorit toimivat sähkövastaanottimina, jotka muuttavat energian mekaanisiksi, valaistus- ja lämmityslaitteiksi, elektrolyysilaitoksiksi ja niin edelleen.

Lisälaitteet ovat päälle- ja poiskytkentälaitteita, mittauslaitteita ja suojamekanismeja.

Kaikki komponentit on jaettu:

• aktiivinen (jossa sähköpiiri koostuu EMF-virtalähteestä, sähkömoottoreista, akuista ja niin edelleen);
• passiivinen (johon sisältyy sähkövastaanottimet ja liitäntäjohdot).

Ketju voi olla myös:

• lineaarinen, jossa elementin resistanssille on aina ominaista suora;
• epälineaarinen, jossa vastus riippuujännite tai virta.

Tässä on yksinkertaisin piiri, jossa virtalähde, avain, sähkölamppu, reostaatti sisältyvät piiriin.

Huolimatta tällaisten teknisten laitteiden yleisyydestä, etenkin viime aikoina, ihmiset kysyvät yhä enemmän vaihtoehtoisten energialähteiden asentamisesta.

Erilaisia sähköenergian lähteitä

Mitä sähkövirran lähteitä on edelleen olemassa? Se ei ole vain aurinko, tuuli, maa ja vuorovesi. Niistä on jo tullut niin sanottuja virallisia vaihtoehtoisia sähkönlähteitä.

Minun on sanottava, että vaihtoehtoisia lähteitä on paljon. Ne eivät ole yleisiä, koska ne eivät ole vielä käytännöllisiä ja käteviä. Mutta kuka tietää, ehkä tulevaisuus on heidän takanaan.

Sähköenergiaa voidaan saada suolavedestä. Norja on jo rakentanut voimalaitoksen tällä tekniikalla.

Voimalaitokset voivat toimia myös polttokennoilla, joissa on kiinteäoksidielektrolyytti.

Pietsosähköisten generaattoreiden tiedetään saavan voimansa kineettisellä energialla (tämä tekniikka mahdollistaa jo kävelytiet, nopeusnystyrät, kääntöportit ja jopa tanssilattiat).

On olemassa myös nanogeneraattoreita, joiden tarkoituksena on muuntaa ihmiskehon energiaa sähköenergiaksi.

Entä talojen lämmittämiseen käytetyt levät, jalkapallomiekat, jotka tuottavatsähköenergiaa, polkupyöriä, joilla voi ladata laitteita, ja jopa hienoksi leikattua paperia, jota käytetään virtalähteenä?

V altavat näkymät kuuluvat tietysti vulkaanisen energian kehitykseen.

Kaikki tämä on tämän päivän todellisuutta, jonka parissa tutkijat työskentelevät. On mahdollista, että joistakin niistä tulee pian täysin yleisiä, kuten sähköstä kodeissa nykyään.

Ehkä joku paljastaa tiedemies Nikola Teslan salaisuudet, ja ihmiskunta pystyy helposti vastaanottamaan sähköä eetteristä?