กระแสไฟฟ้าในตัวนำเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า ทำให้อนุภาคที่มีประจุฟรีเคลื่อนที่โดยตรง การสร้างกระแสอนุภาคเป็นปัญหาร้ายแรง การสร้างอุปกรณ์ดังกล่าวที่จะรักษาความต่างศักย์ของภาคสนามเป็นเวลานานในสถานะเดียวเป็นงานที่มนุษยชาติสามารถแก้ไขได้ภายในปลายศตวรรษที่ 18 เท่านั้น
ความพยายามครั้งแรก
ความพยายามครั้งแรกในการ "สะสมไฟฟ้า" เพื่อการวิจัยและการใช้งานเพิ่มเติมเกิดขึ้นในฮอลแลนด์ Ewald Jurgen von Kleist ชาวเยอรมันและ Peter van Muschenbrook ชาวดัตช์ซึ่งทำการวิจัยในเมือง Leiden ได้สร้างตัวเก็บประจุตัวแรกของโลกซึ่งภายหลังเรียกว่า "ขวดโหลเลย์เดน"
การสะสมของประจุไฟฟ้าได้เกิดขึ้นแล้วภายใต้การกระทำของแรงเสียดทานทางกล เป็นไปได้ที่จะใช้การปลดปล่อยผ่านตัวนำในระยะเวลาหนึ่งที่ค่อนข้างสั้น
ชัยชนะของจิตใจมนุษย์เหนือสิ่งชั่วครู่เช่นไฟฟ้ากลายเป็นการปฏิวัติ
น่าเสียดายที่การคายประจุ (กระแสไฟฟ้าที่เกิดจากตัวเก็บประจุ)อยู่ได้ไม่นานจนสร้างกระแสตรงไม่ได้ นอกจากนี้ แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายโดยตัวเก็บประจุจะค่อยๆ ลดลง ซึ่งทำให้ไม่สามารถรับกระแสต่อเนื่องได้
ฉันควรจะมองหาทางอื่น
แหล่งแรก
การทดลอง "ไฟฟ้าจากสัตว์" ของอิตาลีกัลวานีเป็นความพยายามดั้งเดิมในการค้นหาแหล่งกระแสธรรมชาติในธรรมชาติ เขาแขวนขากบผ่าบนตะขอโลหะของโครงเหล็ก เขาดึงความสนใจไปที่ปฏิกิริยาลักษณะเฉพาะของปลายประสาท
อย่างไรก็ตาม Alessandro Volta อีกคนหนึ่งจากอิตาลี ปฏิเสธข้อสรุปของ Galvani เขาสนใจในความเป็นไปได้ที่จะได้รับกระแสไฟฟ้าจากสิ่งมีชีวิตของสัตว์ เขาได้ทำการทดลองกับกบเป็นชุด แต่ข้อสรุปของเขากลับกลายเป็นว่าตรงข้ามกับสมมติฐานก่อนหน้านี้โดยสิ้นเชิง
โวลตาดึงความสนใจไปที่ความจริงที่ว่าสิ่งมีชีวิตเป็นเพียงตัวบ่งชี้การคายประจุไฟฟ้า เมื่อกระแสไหลผ่าน กล้ามเนื้อของขาจะหดตัว ซึ่งบ่งชี้ถึงความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น แหล่งที่มาของสนามไฟฟ้าคือการสัมผัสกับโลหะที่แตกต่างกัน ยิ่งพวกมันอยู่ในชุดขององค์ประกอบทางเคมี ยิ่งมีผลมากเท่านั้น
แผ่นโลหะที่ไม่เหมือนกันวางด้วยแผ่นกระดาษที่แช่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ทำให้เกิดความต่างศักย์ที่จำเป็นเป็นเวลานาน และปล่อยให้ต่ำ (1.1 V) แต่สามารถตรวจสอบกระแสไฟฟ้าได้นาน สิ่งสำคัญคือแรงดันไฟฟ้ายังคงไม่เปลี่ยนแปลงเป็นเวลานาน
เกิดอะไรขึ้น
เหตุใดที่เรียกว่า "เซลล์กัลวานิก" จึงทำให้เกิดผลกระทบเช่นนี้
อิเล็กโทรดโลหะสองอันที่วางอยู่ในอิเล็กทริกมีบทบาทต่างกัน ตัวหนึ่งให้อิเล็กตรอน อีกตัวหนึ่งรับอิเล็กตรอน กระบวนการปฏิกิริยารีดอกซ์นำไปสู่การปรากฏตัวของอิเล็กตรอนส่วนเกินบนอิเล็กโทรดหนึ่งซึ่งเรียกว่าขั้วลบ และข้อบกพร่องในวินาที เราจะแสดงว่ามันเป็นขั้วบวกของแหล่งกำเนิด
ในเซลล์กัลวานิกที่ง่ายที่สุด ปฏิกิริยาออกซิเดชันเกิดขึ้นที่อิเล็กโทรดหนึ่ง และปฏิกิริยารีดักชันเกิดขึ้นที่อีกขั้วหนึ่ง อิเล็กตรอนมาที่อิเล็กโทรดจากด้านนอกของวงจร อิเล็กโทรไลต์เป็นตัวนำกระแสไฟฟ้าของไอออนภายในแหล่งกำเนิด ความแข็งแกร่งของการต่อต้านจะควบคุมระยะเวลาของกระบวนการ
ธาตุทองแดง
หลักการทำงานของเซลล์กัลวานิกนั้นน่าสนใจที่จะพิจารณาโดยใช้ตัวอย่างของเซลล์กัลวานิกทองแดง-สังกะสี ซึ่งการกระทำนั้นเกิดจากพลังงานของสังกะสีและคอปเปอร์ซัลเฟต ในแหล่งนี้ แผ่นทองแดงวางอยู่ในสารละลายคอปเปอร์ซัลเฟต และอิเล็กโทรดสังกะสีจะถูกจุ่มลงในสารละลายซิงค์ซัลเฟต สารละลายจะถูกคั่นด้วยตัวเว้นวรรคที่มีรูพรุนเพื่อป้องกันการผสม แต่ต้องสัมผัสกัน
ถ้าปิดวงจร ชั้นผิวของสังกะสีจะถูกออกซิไดซ์ ในกระบวนการของการมีปฏิสัมพันธ์กับของเหลวอะตอมของสังกะสีซึ่งกลายเป็นไอออนจะปรากฏในสารละลาย อิเล็กตรอนถูกปล่อยบนอิเล็กโทรด ซึ่งสามารถมีส่วนร่วมในการสร้างกระแสได้
ไปถึงอิเล็กโทรดทองแดง อิเล็กตรอนมีส่วนร่วมในปฏิกิริยารีดักชัน จากสารละลาย ไอออนของทองแดงจะเข้าสู่ชั้นผิว ในกระบวนการรีดิวซ์ พวกมันจะเปลี่ยนเป็นอะตอมของทองแดง มาสะสมบนแผ่นทองแดง
เพื่อสรุปสิ่งที่เกิดขึ้น: กระบวนการทำงานของเซลล์กัลวานิกจะมาพร้อมกับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากตัวรีดิวซ์ไปยังตัวออกซิไดซ์ตามส่วนนอกของวงจร ปฏิกิริยาเกิดขึ้นที่อิเล็กโทรดทั้งสอง กระแสไอออนไหลภายในแหล่งกำเนิด
ความยากในการใช้งาน
โดยหลักการแล้ว ปฏิกิริยารีดอกซ์ใดๆ ก็ตามที่เป็นไปได้สามารถใช้กับแบตเตอรี่ได้ แต่มีสารไม่มากนักที่สามารถทำงานในองค์ประกอบที่มีคุณค่าทางเทคนิคได้ นอกจากนี้ ปฏิกิริยาหลายอย่างต้องการสารราคาแพง
แบตเตอรี่สมัยใหม่มีโครงสร้างที่เรียบง่ายกว่า อิเล็กโทรดสองอันที่วางอยู่ในอิเล็กโทรไลต์เดียวเติมภาชนะ - กล่องแบตเตอรี่ คุณสมบัติการออกแบบดังกล่าวทำให้โครงสร้างง่ายขึ้นและลดต้นทุนของแบตเตอรี่
เซลล์กัลวานิกใด ๆ ก็สามารถผลิตกระแสตรงได้
กระแสต้านทานไม่ให้อิออนทั้งหมดอยู่บนอิเล็กโทรดพร้อมกัน ดังนั้นองค์ประกอบจึงทำงานเป็นเวลานาน ปฏิกิริยาเคมีของการเกิดไอออนไม่ช้าก็เร็ว ธาตุจะถูกคายประจุ
การต่อต้านภายในของแหล่งปัจจุบันมีความสำคัญ
แนวต้านเล็กน้อย
ไม่ต้องสงสัยเลยว่าการใช้กระแสไฟฟ้าได้นำความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีไปสู่ระดับใหม่ ทำให้เขาได้รับการกระตุ้นอย่างมาก แต่แรงต้านกระแสก็ขัดขวางการพัฒนาดังกล่าว
ด้านหนึ่ง กระแสไฟฟ้ามีคุณสมบัติอันล้ำค่าที่ใช้ในชีวิตประจำวันและเทคโนโลยี ในทางกลับกัน มีความขัดแย้งที่สำคัญ ฟิสิกส์ในฐานะศาสตร์แห่งธรรมชาติพยายามสร้างสมดุลเพื่อนำสถานการณ์เหล่านี้มาเกี่ยวข้อง
ความต้านทานปัจจุบันเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้ากับสารที่พวกมันเคลื่อนที่ผ่าน เป็นไปไม่ได้ที่จะยกเว้นกระบวนการนี้ภายใต้สภาวะอุณหภูมิปกติ
แนวต้าน
ความต้านทานภายในของแหล่งกำเนิดกระแสและความต้านทานของส่วนภายนอกของวงจรมีลักษณะแตกต่างกันเล็กน้อย แต่กระบวนการเหล่านี้ก็เหมือนกันในการย้ายประจุ
งานนั้นขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของแหล่งกำเนิดและเนื้อหาเท่านั้น: คุณภาพของอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์รวมถึงชิ้นส่วนภายนอกของวงจรความต้านทานซึ่งขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ทางเรขาคณิตและสารเคมี ลักษณะของวัสดุ ตัวอย่างเช่น ความต้านทานของลวดโลหะจะเพิ่มขึ้นตามความยาวที่เพิ่มขึ้นและลดลงตามการขยายตัวของพื้นที่หน้าตัด ในการแก้ปัญหาวิธีการลดความต้านทาน ฟิสิกส์แนะนำให้ใช้วัสดุพิเศษ
งานปัจจุบัน
ตามกฎหมาย Joule-Lenz ปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาในตัวนำจะเป็นสัดส่วนกับความต้านทาน หากเรากำหนดปริมาณความร้อนเป็น Qint. ความแรงของกระแส I เวลาของการไหลของ t เราก็จะได้:
Qint=I2 · r t,
โดยที่ r คือความต้านทานภายในของแหล่งที่มาปัจจุบัน
ทั้งวงจรรวมทั้งชิ้นส่วนภายในและภายนอกจำนวนความร้อนจะถูกปล่อยออกมาสูตรคือ:
Qfull=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าความต้านทานแสดงอย่างไรในฟิสิกส์: วงจรภายนอก (องค์ประกอบทั้งหมดยกเว้นแหล่งที่มา) มีความต้านทาน R
กฎของโอห์มสำหรับวงจรที่สมบูรณ์
คำนึงว่างานหลักทำโดยกองกำลังภายนอกในแหล่งปัจจุบัน ค่าของมันเท่ากับผลคูณของประจุที่บรรทุกโดยสนามและแรงเคลื่อนไฟฟ้าของแหล่งกำเนิด:
q E=I2 (r + R) t.
โดยตระหนักว่าประจุนั้นเท่ากับผลคูณของความแรงในปัจจุบันและเวลาของการไหลของมัน เรามี:
E=ฉัน (r + R)
ตามความสัมพันธ์แบบเหตุและผล กฎของโอห์มมีรูปแบบดังนี้
I=E: (r + R)
กระแสในวงจรปิดเป็นสัดส่วนโดยตรงกับ EMF ของแหล่งจ่ายปัจจุบันและเป็นสัดส่วนผกผันกับความต้านทานรวม (ทั้งหมด) ของวงจร
จากรูปแบบนี้ เป็นไปได้ที่จะระบุความต้านทานภายในของแหล่งสัญญาณปัจจุบัน
ความจุของแหล่งจ่าย
ความสามารถในการคายประจุยังสามารถนำมาประกอบกับคุณสมบัติหลักของแหล่งที่มาได้อีกด้วย ปริมาณไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถรับได้เมื่อใช้งานภายใต้เงื่อนไขบางประการขึ้นอยู่กับความแรงของกระแสไฟที่จ่ายออก
ในกรณีที่เหมาะสมที่สุด เมื่อมีการประมาณค่าบางอย่าง ความสามารถในการคายประจุจะถือว่าคงที่
Kตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่มาตรฐานที่มีความต่างศักย์ 1.5 V มีความจุในการคายประจุ 0.5 Ah หากกระแสไฟดิสชาร์จเป็น 100mA แสดงว่าใช้งานได้ 5 ชั่วโมง
วิธีการชาร์จแบตเตอรี่
การใช้ประโยชน์จากแบตเตอรี่ทำให้เกิดการคายประจุ การฟื้นฟูแบตเตอรี่ การชาร์จเซลล์ขนาดเล็กจะดำเนินการโดยใช้กระแสไฟที่มีค่าความแรงไม่เกินหนึ่งในสิบของความจุแหล่งกำเนิด
มีวิธีการชาร์จดังต่อไปนี้:
- ใช้กระแสคงที่ตามเวลาที่กำหนด (ประมาณ 16 ชั่วโมงปัจจุบันความจุแบตเตอรี่ 0.1);
- กำลังชาร์จโดยลดกระแสให้เป็นค่าความต่างศักย์ที่กำหนดไว้ล่วงหน้า
- การใช้กระแสไม่สมดุล
- ใช้การชาร์จและการคายประจุแบบพัลส์สั้นๆ ติดต่อกัน โดยที่เวลาครั้งแรกเกินเวลาของวินาที
ฝึกงาน
งานถูกเสนอ: เพื่อกำหนดความต้านทานภายในของแหล่งปัจจุบันและ EMF
ในการแสดง คุณจะต้องตุนแหล่งจ่ายกระแสไฟ แอมมิเตอร์ โวลต์มิเตอร์ ลิโน่สไลเดอร์ กุญแจ ชุดตัวนำ
การใช้กฎของโอห์มสำหรับวงจรปิดจะกำหนดความต้านทานภายในของแหล่งกำเนิดกระแส ในการทำเช่นนี้ คุณต้องรู้ EMF ของมัน ค่าความต้านทานของรีโอสแตต
สูตรคำนวณความต้านทานกระแสในส่วนนอกของวงจรสามารถหาได้จากกฎของโอห์มสำหรับส่วนของวงจร:
I=U: R,
โดยที่ I คือความแรงของกระแสที่ส่วนนอกของวงจร วัดด้วยแอมมิเตอร์ U - แรงดันไฟฟ้าภายนอกแนวต้าน
เพื่อปรับปรุงความแม่นยำ วัดอย่างน้อย 5 ครั้ง มีไว้เพื่ออะไร? แรงดันไฟฟ้า ความต้านทาน กระแส (หรือมากกว่าความแรงของกระแส) ที่วัดระหว่างการทดลองใช้ด้านล่าง
ในการหา EMF ของแหล่งจ่ายกระแสไฟ เราใช้ข้อเท็จจริงที่ว่าแรงดันไฟที่ขั้วของมันโดยเปิดกุญแจนั้นเกือบจะเท่ากับ EMF
มาประกอบวงจรจากแบตเตอรี่ รีโอสแตต แอมมิเตอร์ กุญแจที่ต่อเป็นอนุกรมกัน เราเชื่อมต่อโวลต์มิเตอร์กับขั้วของแหล่งกระแส เมื่อเปิดคีย์แล้ว เราก็ทำการอ่าน
ความต้านทานภายใน สูตรที่ได้มาจากกฎของโอห์มสำหรับวงจรสมบูรณ์ ถูกกำหนดโดยการคำนวณทางคณิตศาสตร์:
- I=E: (r + R).
- r=E: ฉัน – U: I.
การวัดแสดงให้เห็นว่าความต้านทานภายในน้อยกว่าความต้านทานภายนอกมาก
แบตเตอรี่แบบชาร์จได้และแบตเตอรี่ใช้งานได้จริง ไม่ต้องสงสัยเลยว่าความปลอดภัยด้านสิ่งแวดล้อมที่ไม่อาจโต้แย้งได้ของมอเตอร์ไฟฟ้านั้นเป็นสิ่งที่ไม่ต้องสงสัย แต่การสร้างแบตเตอรี่ที่กว้างขวางตามหลักสรีรศาสตร์เป็นปัญหาของฟิสิกส์สมัยใหม่ การแก้ปัญหาจะนำไปสู่รอบใหม่ในการพัฒนาเทคโนโลยียานยนต์
แบตเตอรี่ขนาดเล็ก น้ำหนักเบา ความจุสูงก็มีความจำเป็นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พกพาเช่นกัน ปริมาณพลังงานที่ใช้ในอุปกรณ์นั้นเกี่ยวข้องโดยตรงกับประสิทธิภาพของอุปกรณ์
