Elektros srovė, elektros srovės š altiniai: apibrėžimas ir esmė

2024 Autorius: Henry Conors | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-02-12 10:35

Iš fizikos kurso visi žino, kad elektros srovė reiškia kryptingą organizuotą dalelių, turinčių krūvį, judėjimą. Norint jį gauti, laidininke susidaro elektrinis laukas. Tas pats reikalingas tam, kad elektros srovė ir toliau egzistuotų ilgą laiką.

Elektros srovės š altiniai gali būti:

• statinis;
• cheminė;
• mechaninis;
• puslaidininkis.

Kiekviename iš jų atliekamas darbas, kur atskiriamos skirtingai įkrautos dalelės, tai yra sukuriamas srovės š altinio elektrinis laukas. Atsiskyrę jie kaupiasi poliuose, laidininkų sujungimo vietose. Sujungus polius laidininku, dalelės su krūviu pradeda judėti, susidaro elektros srovė.

Elektros srovės š altiniai: elektros mašinos išradimas

Iki XVII amžiaus vidurio prireikė daugpastangas. Tuo pačiu metu daugėja mokslininkų, sprendžiančių šią problemą. Taigi Otto von Guericke išrado pirmąjį pasaulyje elektromobilį. Viename iš eksperimentų su siera ji, išsilydžiusi tuščiavidurio stiklo rutulio viduje, sukietėjo ir sudaužė stiklą. Guericke'as sustiprino kamuolį taip, kad jį būtų galima susukti. Sukdamas jį ir spausdamas odos gabalėlį, jis gavo kibirkštį. Ši trintis labai palengvino trumpalaikę elektros gamybą. Tačiau sunkesnės problemos buvo išspręstos tik toliau tobulėjant mokslui.

Problema ta, kad Guerike'o k altinimai greitai išnyko. Siekiant padidinti įkrovos trukmę, kūnai buvo dedami į uždarus indus (stiklinius butelius), o elektrifikuota medžiaga buvo vanduo su vinimi. Eksperimentas buvo optimizuotas, kai butelis iš abiejų pusių buvo padengtas laidžia medžiaga (pavyzdžiui, folijos lakštais). Dėl to jie suprato, kad galima apsieiti ir be vandens.

Varlių kojos kaip energijos š altinis

Kitą elektros gamybos būdą pirmasis atrado Luigi Galvani. Kaip biologas, jis dirbo laboratorijoje, kur eksperimentavo su elektra. Jis matė, kaip negyvos varlės koja susitraukė, kai ją sujaudino mašinos kibirkštis. Tačiau vieną dieną toks pat efektas buvo pasiektas atsitiktinai, kai mokslininkas palietė ją plieniniu skalpeliu.

Jis pradėjo ieškoti priežasčių, kodėl atsirado elektros srovė. Pagal jo galutinę išvadą elektros srovės š altiniai buvo varlės audiniuose.

Kitas italas Alessandro Volto įrodė srovės „varlės“prigimties nesėkmę. Pastebėta, kad didžiausia srovėatsirado, kai į sieros rūgšties tirpalą buvo pridėta vario ir cinko. Šis derinys vadinamas galvaniniu arba cheminiu elementu.

Tačiau naudoti tokį įrankį EML gauti būtų per brangu. Todėl mokslininkai ieško kitokio mechaninio elektros energijos gamybos būdo.

Kaip veikia įprastas generatorius?

Devynioliktojo amžiaus pradžioje G. H. Oerstedas atrado, kad srovei einant per laidininką, atsiranda magnetinės kilmės laukas. Šiek tiek vėliau Faradėjus išsiaiškino, kad šio lauko jėgos linijoms susikertant, laidininke sukeliamas EML, kuris sukelia srovę. EMF skiriasi priklausomai nuo judėjimo greičio ir pačių laidininkų, taip pat nuo lauko stiprumo. Peržengus šimtą milijonų jėgos linijų per sekundę, sukeltas EML tapo lygus vienam voltui. Akivaizdu, kad rankinis laidumas magnetiniame lauke nesugeba sukurti didelės elektros srovės. Tokio tipo elektros srovės š altiniai pasirodė daug veiksmingesni suvyniodami laidą ant didelės ritės arba gamindami jį būgno pavidalu. Ritė buvo sumontuota ant veleno tarp magneto ir besisukančio vandens ar garų. Toks mechaninis srovės š altinis būdingas įprastiems generatoriams.

Puiki Tesla

Puikus mokslininkas iš Serbijos Nikola Tesla, savo gyvenimą paskyręs elektrai, padarė daug atradimų, kuriuos naudojame ir šiandien. Daugiafazės elektros mašinos, asinchroniniai elektros varikliai, energijos perdavimas per daugiafazę kintamąją srovę - tai ne visas sąrašas.didžiojo mokslininko išradimai.

Daugelis mano, kad reiškinį Sibire, vadinamą Tunguskos meteoritu, iš tikrųjų sukėlė Tesla. Bet, ko gero, vienas paslaptingiausių išradimų yra transformatorius, galintis priimti iki penkiolikos milijonų voltų įtampą. Neįprastas ir jo įrenginys, ir žinomiems dėsniams nepasiduodantys skaičiavimai. Tačiau tais laikais jie pradėjo kurti vakuuminę technologiją, kurioje nebuvo jokių neaiškumų. Todėl mokslininko išradimas kuriam laikui buvo pamirštas.

Tačiau šiandien, atsiradus teorinei fizikai, vėl susidomėjimas jo darbu. Eteris buvo pripažintas dujomis, kurioms galioja visi dujų mechanikos dėsniai. Būtent iš ten didžioji Tesla sėmėsi energijos. Verta paminėti, kad eterio teorija praeityje buvo labai paplitusi tarp daugelio mokslininkų. Tik atsiradus SRT – specialiajai Einšteino reliatyvumo teorijai, kurioje jis paneigė eterio egzistavimą, ji buvo pamiršta, nors vėliau suformuluota bendroji teorija jos kaip tokios ir neginčijo.

Tačiau kol kas apsistokime ties elektros srovėmis ir įrenginiais, kurie šiandien yra visur.

Techninių prietaisų kūrimas – dabartiniai š altiniai

Tokie įrenginiai naudojami įvairiai energijai paversti elektros energija. Nepaisant to, kad fiziniai ir cheminiai elektros energijos gamybos būdai buvo atrasti seniai, jie išplito tik XX amžiaus antroje pusėje, kai pradėjo sparčiai vystytis.radijo elektronika. Originalios penkios galvaninės poros buvo papildytos dar 25 tipais. Ir teoriškai gali būti keli tūkstančiai galvaninių porų, nes laisvoji energija gali būti realizuota bet kuriame oksidatoriuje ir reduktorius.

Fiziniai srovės š altiniai

Fiziniai srovės š altiniai pradėjo kurtis šiek tiek vėliau. Šiuolaikinės technologijos kėlė vis griežtesnius reikalavimus, o pramoniniai šiluminiai ir termoelektriniai generatoriai sėkmingai susidorojo su vis didėjančiomis užduotimis. Fiziniai srovės š altiniai yra įrenginiai, kuriuose šiluminė, elektromagnetinė, mechaninė ir spinduliuotės bei branduolinio skilimo energija paverčiama elektros energija. Be to, kas paminėta pirmiau, jie taip pat apima elektrines mašinas, MHD generatorius, taip pat tuos, kurie naudojami saulės spinduliuotei ir atominiam skilimui konvertuoti.

Kad elektros srovė laidininke neišnyktų, reikalingas išorinis š altinis, kuris išlaikytų potencialų skirtumą laidininko galuose. Tam naudojami energijos š altiniai, kurie turi tam tikrą elektrovaros jėgą potencialų skirtumui sukurti ir palaikyti. Elektros srovės š altinio EML matuojamas darbu, atliekamu perkeliant teigiamą krūvį uždaroje grandinėje.

Atsparumas srovės š altinio viduje kiekybiškai apibūdina jį ir nustato energijos nuostolių kiekį, kai jis praeina per š altinį.

Galima ir efektyvumas yra lygūs išorinės elektros grandinės įtampos ir EML santykiui.

Cheminiai š altiniaidabartinis

Cheminis srovės š altinis elektros grandinėje EMF yra įrenginys, kuriame cheminių reakcijų energija paverčiama elektros energija.

Jis pagrįstas dviem elektrodais: neigiamo krūvio reduktoriumi ir teigiamai įkrautu oksiduojančiu agentu, kurie liečiasi su elektrolitu. Tarp elektrodų atsiranda potencialų skirtumas, EMF.

Šiuolaikiniuose įrenginiuose dažnai naudojama:

• kaip reduktorius – švinas, kadmis, cinkas ir kt.;
• oksidantas - nikelio hidroksidas, švino oksidas, manganas ir kiti;
• elektrolitas – rūgščių, šarmų arba druskų tirpalai.

Cinko ir mangano sausosios ląstelės yra plačiai naudojamos. Paimamas indas iš cinko (turintis neigiamą elektrodą). Į vidų įdedamas teigiamas elektrodas su mangano dioksido ir anglies arba grafito miltelių mišiniu, kuris sumažina varžą. Elektrolitas yra amoniako, krakmolo ir kitų komponentų pasta.

Švino rūgšties akumuliatorius dažniausiai yra antrinis cheminės srovės š altinis elektros grandinėje, pasižymintis didele galia, stabiliu veikimu ir mažomis sąnaudomis. Tokio tipo baterijos naudojamos įvairiose srityse. Jie dažnai naudojami starterio akumuliatoriams, kurie ypač vertingi automobiliuose, kur paprastai turi monopolį.

Kita įprasta baterija susideda iš geležies (anodo), nikelio oksido hidrato (katodo) ir elektrolito – vandeninio kalio arba natrio tirpalo. Aktyvioji medžiaga dedama į nikeliuotus plieninius vamzdelius.

Šios rūšies naudojimas sumažėjo po Edisono gamyklos gaisro 1914 m. Tačiau jei palygintume pirmojo ir antrojo tipų akumuliatorių charakteristikas, paaiškėtų, kad geležies-nikelio veikimas gali būti daug kartų ilgesnis nei švino rūgšties.

DC ir kintamosios srovės generatoriai

Generatoriai yra įrenginiai, skirti mechaninę energiją paversti elektros energija.

Paprasčiausias nuolatinės srovės generatorius gali būti pavaizduotas kaip laidininko rėmas, kuris buvo dedamas tarp magnetinių polių, o galai sujungti su izoliuotais pusžiedžiais (kolektorius). Kad prietaisas veiktų, būtina užtikrinti rėmo sukimąsi su kolektoriumi. Tada jame bus indukuojama elektros srovė, kuri keičia savo kryptį veikiant magnetinio lauko linijoms. Išorinėje grandinėje jis eis viena kryptimi. Pasirodo, kad kolektorius ištaisys kintamąją srovę, kurią sukuria rėmas. Norint pasiekti pastovią srovę, kolektorius pagamintas iš trisdešimt šešių ar daugiau plokščių, o laidininkas susideda iš daugybės rėmų armatūros apvijos pavidalu.

Panagrinėkime, kokia yra srovės š altinio paskirtis elektros grandinėje. Išsiaiškinkime, kokių kitų dabartinių š altinių yra.

Elektros grandinė: elektros srovė, srovės stiprumas, srovės š altinis

Elektros grandinę sudaro srovės š altinis, kuris kartu su kitais objektais sukuria srovės kelią. O EML, srovės ir įtampos sąvokos atskleidžia šiuo atveju vykstančius elektromagnetinius procesus.

Paprasčiausią elektros grandinę sudaro srovės š altinis (baterija, galvaninis elementas, generatorius ir pan.), energijos vartotojai (elektriniai šildytuvai, elektros varikliai ir kt.), taip pat laidai, jungiantys įtampos gnybtus š altinis ir vartotojas.

Elektros grandinė turi vidines (elektros š altinis) ir išorines (laidus, jungiklius ir jungiklius, matavimo prietaisus) dalis.

Jis veiks ir turės teigiamą reikšmę tik tuo atveju, jei bus uždara grandinė. Dėl bet kokio pertrūkio srovė sustoja.

Elektros grandinę sudaro srovės š altinis – galvaniniai elementai, elektros akumuliatoriai, elektromechaniniai ir termoelektriniai generatoriai, fotoelementai ir pan.

Elektros varikliai veikia kaip elektros imtuvai, paverčiantys energiją mechaniniais, apšvietimo ir šildymo prietaisais, elektrolizės įrenginiais ir pan.

Pagalbinė įranga – tai prietaisai, naudojami įjungti ir išjungti, matavimo prietaisai ir apsauginiai mechanizmai.

Visi komponentai skirstomi į:

• aktyvus (kai elektros grandinė susideda iš EML srovės š altinio, elektros variklių, baterijų ir pan.);
• pasyvus (įskaitant elektros imtuvus ir jungiamuosius laidus).

Grandinė taip pat gali būti:

• tiesinis, kai elemento varža visada apibūdinama tiesia linija;
• netiesinis, kur atsparumas priklauso nuoįtampa arba srovė.

Čia yra paprasčiausia grandinė, kurioje į grandinę įtrauktas srovės š altinis, raktas, elektros lempa, reostatas.

Nepaisant tokių techninių įrenginių paplitimo, ypač pastaruoju metu, žmonės vis dažniau užduoda klausimus apie alternatyvių energijos š altinių įrengimą.

Elektros energijos š altinių įvairovė

Kokie elektros srovės š altiniai vis dar egzistuoja? Tai ne tik saulė, vėjas, žemė ir potvyniai. Jie jau tapo oficialiais alternatyviais elektros energijos š altiniais.

Turiu pasakyti, kad yra daug alternatyvių š altinių. Jie nėra įprasti, nes dar nėra praktiški ir patogūs. Bet kas žino, galbūt ateitis bus už jų.

Taigi, elektros energijos galima gauti iš sūraus vandens. Norvegija jau pastatė elektrinę naudodama šią technologiją.

Elektrinės taip pat gali veikti naudojant kuro elementus su kieto oksido elektrolitu.

Žinoma, kad pjezoelektriniai generatoriai yra varomi kinetinės energijos (naudojant šią technologiją jau yra pėsčiųjų takai, greičio kalneliai, turniketai ir net šokių aikštelės).

Taip pat yra nanogeneratorių, kuriais siekiama žmogaus kūno energiją paversti elektros energija.

O kaip dėl dumblių, naudojamų namams šildyti, futbolo kardus, kurie generuojaelektros energija, dviračiai, kuriais galima įkrauti įtaisus, ir net smulkiai supjaustytas popierius, naudojamas kaip maitinimo š altinis?

Didžiulės perspektyvos, be abejo, priklauso vulkaninės energijos vystymuisi.

Visa tai yra šių dienų realybė, su kuria dirba mokslininkai. Gali būti, kad kai kurie iš jų greitai taps visiškai įprasti, kaip šiandien namuose elektra.

Gal kas nors atskleis mokslininko Nikola Teslos paslaptis, ir žmonija galės nesunkiai gauti elektros iš eterio?