Ηλεκτρικό ρεύμα, πηγές ηλεκτρικού ρεύματος: ορισμός και ουσία

2024 Συγγραφέας: Henry Conors | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-02-12 05:59

Από το μάθημα της φυσικής, όλοι γνωρίζουν ότι ηλεκτρικό ρεύμα σημαίνει την κατευθυνόμενη διατεταγμένη κίνηση των σωματιδίων που φέρουν φορτίο. Για την απόκτησή του, σχηματίζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο στον αγωγό. Το ίδιο είναι απαραίτητο για να συνεχίσει να υπάρχει το ηλεκτρικό ρεύμα για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Πηγές ηλεκτρικού ρεύματος μπορεί να είναι:

• static;
• χημικό;
• μηχανικό;
• ημιαγωγός.

Σε καθένα από αυτά εκτελείται εργασία, όπου διαχωρίζονται διαφορετικά φορτισμένα σωματίδια, δημιουργείται δηλαδή ηλεκτρικό πεδίο πηγής ρεύματος. Χωρισμένα, συσσωρεύονται στους πόλους, στα σημεία σύνδεσης των αγωγών. Όταν οι πόλοι συνδέονται με έναν αγωγό, τα σωματίδια με φορτίο αρχίζουν να κινούνται και σχηματίζεται ηλεκτρικό ρεύμα.

Πηγές ηλεκτρικού ρεύματος: η εφεύρεση της ηλεκτρικής μηχανής

Μέχρι τα μέσα του δέκατου έβδομου αιώνα, χρειάστηκαν πολλάπροσπάθειες. Ταυτόχρονα, ο αριθμός των επιστημόνων που ασχολούνται με αυτό το θέμα αυξάνεται. Και έτσι ο Otto von Guericke εφηύρε το πρώτο ηλεκτρικό αυτοκίνητο στον κόσμο. Σε ένα από τα πειράματα με το θείο, αυτό, λιωμένο μέσα σε μια κοίλη γυάλινη σφαίρα, σκλήρυνε και έσπασε το γυαλί. Ο Γκερίκε ενίσχυσε την μπάλα για να στρίψει. Περιστρέφοντάς το και πιέζοντας ένα κομμάτι δέρμα, πήρε μια σπίθα. Αυτή η τριβή διευκόλυνε πολύ τη βραχυπρόθεσμη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αλλά πιο δύσκολα προβλήματα επιλύθηκαν μόνο με την περαιτέρω ανάπτυξη της επιστήμης.

Το πρόβλημα ήταν ότι οι κατηγορίες του Guerike εξαφανίστηκαν γρήγορα. Για να αυξηθεί η διάρκεια της φόρτισης, τα σώματα τοποθετούνταν σε κλειστά δοχεία (γυάλινα μπουκάλια), και το ηλεκτρισμένο υλικό ήταν νερό με καρφί. Το πείραμα βελτιστοποιήθηκε όταν το μπουκάλι καλύφθηκε και στις δύο πλευρές με ένα αγώγιμο υλικό (φύλλα φύλλου, για παράδειγμα). Ως αποτέλεσμα, συνειδητοποίησαν ότι ήταν δυνατό να κάνουν χωρίς νερό.

Πόδια βατράχου ως πηγή ενέργειας

Ένας άλλος τρόπος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά από τον Luigi Galvani. Ως βιολόγος, εργάστηκε σε ένα εργαστήριο όπου πειραματίστηκαν με τον ηλεκτρισμό. Είδε πώς συσπάστηκε το πόδι ενός νεκρού βατράχου όταν ενθουσιάστηκε από μια σπίθα από μια μηχανή. Αλλά μια μέρα, το ίδιο αποτέλεσμα επιτεύχθηκε τυχαία όταν ένας επιστήμονας την άγγιξε με ένα ατσάλινο νυστέρι.

Άρχισε να ψάχνει τους λόγους από τους οποίους προήλθε το ηλεκτρικό ρεύμα. Οι πηγές ηλεκτρικού ρεύματος, σύμφωνα με το τελικό συμπέρασμά του, ήταν στους ιστούς του βατράχου.

Ένας άλλος Ιταλός, ο Αλεσάντρο Βόλτο, απέδειξε την αποτυχία της «βατράχου» φύσης του ρεύματος. Έχει παρατηρηθεί ότι το μεγαλύτερο ρεύμαπροέκυψε όταν προστέθηκαν χαλκός και ψευδάργυρος σε διάλυμα θειικού οξέος. Αυτός ο συνδυασμός ονομάζεται γαλβανική ή χημική κυψέλη.

Αλλά η χρήση ενός τέτοιου εργαλείου για τη λήψη ενός EMF θα ήταν πολύ δαπανηρή. Επομένως, οι επιστήμονες εργάζονται πάνω σε έναν διαφορετικό, μηχανικό τρόπο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.

Πώς λειτουργεί μια κανονική γεννήτρια;

Στις αρχές του δέκατου ένατου αιώνα, ο G. H. Ο Oersted ανακάλυψε ότι όταν ένα ρεύμα διέρχεται από έναν αγωγό, προέκυψε ένα πεδίο μαγνητικής προέλευσης. Λίγο αργότερα, ο Faraday ανακάλυψε ότι όταν οι γραμμές δύναμης αυτού του πεδίου διασταυρώνονται, προκαλείται ένα EMF στον αγωγό, το οποίο προκαλεί ρεύμα. Το EMF ποικίλλει ανάλογα με την ταχύτητα κίνησης και τους ίδιους τους αγωγούς, καθώς και με την ισχύ του πεδίου. Όταν διέσχιζαν εκατό εκατομμύρια γραμμές δύναμης ανά δευτερόλεπτο, το επαγόμενο EMF έγινε ίσο με ένα Volt. Είναι σαφές ότι η χειροκίνητη αγωγιμότητα σε ένα μαγνητικό πεδίο δεν είναι ικανή να παράγει μεγάλο ηλεκτρικό ρεύμα. Πηγές ηλεκτρικού ρεύματος αυτού του είδους έχουν αποδειχθεί πολύ πιο αποτελεσματικά με την περιέλιξη του σύρματος σε ένα μεγάλο πηνίο ή την παραγωγή του με τη μορφή τυμπάνου. Το πηνίο ήταν τοποθετημένο σε έναν άξονα μεταξύ ενός μαγνήτη και περιστρεφόμενου νερού ή ατμού. Μια τέτοια πηγή μηχανικού ρεύματος είναι εγγενής στις συμβατικές γεννήτριες.

Υπέροχος Tesla

Ο λαμπρός επιστήμονας από τη Σερβία Νίκολα Τέσλα, έχοντας αφιερώσει τη ζωή του στον ηλεκτρισμό, έκανε πολλές ανακαλύψεις που χρησιμοποιούμε ακόμα και σήμερα. Πολυφασικές ηλεκτρικές μηχανές, ασύγχρονοι ηλεκτρικοί κινητήρες, μετάδοση ισχύος μέσω πολυφασικού εναλλασσόμενου ρεύματος - αυτή δεν είναι ολόκληρη η λίστα.εφευρέσεις του μεγάλου επιστήμονα.

Πολλοί πιστεύουν ότι το φαινόμενο στη Σιβηρία, που ονομάζεται μετεωρίτης Tunguska, προκλήθηκε στην πραγματικότητα από τον Tesla. Αλλά, ίσως, μια από τις πιο μυστηριώδεις εφευρέσεις είναι ένας μετασχηματιστής ικανός να δέχεται τάση έως και δεκαπέντε εκατομμύρια βολτ. Ασυνήθιστο είναι τόσο η συσκευή του όσο και οι υπολογισμοί που δεν υποχωρούν σε γνωστούς νόμους. Αλλά εκείνες τις μέρες άρχισαν να αναπτύσσουν τεχνολογία κενού, στην οποία δεν υπήρχαν ασάφειες. Επομένως, η εφεύρεση του επιστήμονα ξεχάστηκε για λίγο.

Αλλά σήμερα, με την έλευση της θεωρητικής φυσικής, υπάρχει ανανεωμένο ενδιαφέρον για το έργο του. Ο αιθέρας αναγνωρίστηκε ως αέριο, στο οποίο ισχύουν όλοι οι νόμοι της μηχανικής των αερίων. Από εκεί αντλούσε ενέργεια ο μεγάλος Τέσλα. Αξίζει να σημειωθεί ότι η θεωρία του αιθέρα ήταν πολύ διαδεδομένη στο παρελθόν σε πολλούς επιστήμονες. Μόνο με την εμφάνιση του SRT - της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν, στην οποία διέψευσε την ύπαρξη του αιθέρα - ξεχάστηκε, αν και η γενική θεωρία που διατυπώθηκε αργότερα δεν την αμφισβήτησε ως τέτοια.

Αλλά προς το παρόν, ας σταθούμε στο ηλεκτρικό ρεύμα και στις συσκευές που είναι πανταχού παρούσες σήμερα.

Ανάπτυξη τεχνικών συσκευών - τρέχουσες πηγές

Τέτοιες συσκευές χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή διαφορετικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Παρά το γεγονός ότι οι φυσικές και χημικές μέθοδοι για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ανακαλύφθηκαν πριν από πολύ καιρό, έγιναν ευρέως διαδεδομένες μόνο στο δεύτερο μισό του εικοστού αιώνα, όταν άρχισε να αναπτύσσεται γρήγορα.ραδιοηλεκτρονικά. Τα αρχικά πέντε γαλβανικά ζεύγη αναπληρώθηκαν με 25 ακόμη τύπους. Και θεωρητικά, μπορεί να υπάρχουν πολλές χιλιάδες γαλβανικά ζεύγη, αφού η ελεύθερη ενέργεια μπορεί να πραγματοποιηθεί σε οποιοδήποτε οξειδωτικό και αναγωγικό.

Πηγές φυσικού ρεύματος

Οι πηγές φυσικού ρεύματος άρχισαν να αναπτύσσονται λίγο αργότερα. Η σύγχρονη τεχνολογία έκανε όλο και πιο αυστηρές απαιτήσεις και οι βιομηχανικές θερμικές και θερμιονικές γεννήτριες αντιμετώπισαν με επιτυχία τις αυξανόμενες εργασίες. Οι πηγές φυσικού ρεύματος είναι συσκευές όπου η θερμική, η ηλεκτρομαγνητική, η μηχανική και η ενέργεια ακτινοβολίας και πυρηνικής διάσπασης μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Εκτός από τα παραπάνω, περιλαμβάνουν επίσης ηλεκτρικές μηχανές, γεννήτριες MHD, καθώς και αυτές που χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας και της ατομικής αποσύνθεσης.

Για να μην εξαφανιστεί το ηλεκτρικό ρεύμα στον αγωγό, χρειάζεται μια εξωτερική πηγή για τη διατήρηση της διαφοράς δυναμικού στα άκρα του αγωγού. Για αυτό, χρησιμοποιούνται πηγές ενέργειας που έχουν κάποια ηλεκτροκινητική δύναμη για να δημιουργήσουν και να διατηρήσουν μια διαφορά δυναμικού. Το EMF μιας πηγής ηλεκτρικού ρεύματος μετριέται από την εργασία που γίνεται μεταφέροντας ένα θετικό φορτίο σε ένα κλειστό κύκλωμα.

Η αντίσταση μέσα σε μια πηγή ρεύματος το χαρακτηρίζει ποσοτικά, καθορίζοντας το ποσό της απώλειας ενέργειας κατά τη διέλευση από την πηγή.

Η ισχύς και η απόδοση είναι ίσες με τον λόγο της τάσης στο εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα προς το EMF.

Χημικές πηγέςτρέχον

Μια πηγή χημικού ρεύματος σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα Το EMF είναι μια συσκευή όπου η ενέργεια των χημικών αντιδράσεων μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια.

Βασίζεται σε δύο ηλεκτρόδια: έναν αρνητικά φορτισμένο αναγωγικό παράγοντα και έναν θετικά φορτισμένο οξειδωτικό παράγοντα, τα οποία βρίσκονται σε επαφή με τον ηλεκτρολύτη. Προκύπτει μια διαφορά δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων, EMF.

Οι σύγχρονες συσκευές χρησιμοποιούν συχνά:

• ως αναγωγικός παράγοντας - μόλυβδος, κάδμιο, ψευδάργυρος και άλλα;
• οξειδωτικό - υδροξείδιο νικελίου, οξείδιο μολύβδου, μαγγάνιο και άλλα;
• ηλεκτρολύτης - διαλύματα οξέων, αλκαλίων ή αλάτων.

Ξηρά κύτταρα ψευδάργυρου και μαγγανίου χρησιμοποιούνται ευρέως. Λαμβάνεται ένα δοχείο από ψευδάργυρο (με αρνητικό ηλεκτρόδιο). Ένα θετικό ηλεκτρόδιο τοποθετείται μέσα με ένα μείγμα διοξειδίου του μαγγανίου με άνθρακα ή σκόνη γραφίτη, το οποίο μειώνει την αντίσταση. Ο ηλεκτρολύτης είναι μια πάστα αμμωνίας, αμύλου και άλλων συστατικών.

Μια μπαταρία μολύβδου οξέος είναι συνήθως μια δευτερεύουσα χημική πηγή ρεύματος σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, με υψηλή ισχύ, σταθερή λειτουργία και χαμηλό κόστος. Οι μπαταρίες αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται σε διάφορους τομείς. Συχνά προτιμώνται για μπαταρίες εκκίνησης, οι οποίες είναι ιδιαίτερα πολύτιμες σε αυτοκίνητα όπου γενικά έχουν το μονοπώλιο.

Μια άλλη κοινή μπαταρία αποτελείται από σίδηρο (άνοδος), ένυδρο οξείδιο του νικελίου (κάθοδος) και έναν ηλεκτρολύτη - ένα υδατικό διάλυμα καλίου ή νατρίου. Το ενεργό υλικό τοποθετείται σε επινικελωμένους χαλύβδινους σωλήνες.

Η χρήση αυτού του είδους μειώθηκε μετά την πυρκαγιά του εργοστασίου Edison το 1914. Ωστόσο, αν συγκρίνουμε τα χαρακτηριστικά του πρώτου και του δεύτερου τύπου μπαταριών, αποδεικνύεται ότι η λειτουργία του σιδήρου-νικελίου μπορεί να είναι πολλές φορές μεγαλύτερη από το μόλυβδο-οξέος.

Γεννήτριες DC και AC

Οι γεννήτριες είναι συσκευές που στοχεύουν στη μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια.

Η απλούστερη γεννήτρια συνεχούς ρεύματος μπορεί να αναπαρασταθεί ως ένα πλαίσιο αγωγού, το οποίο τοποθετήθηκε μεταξύ των μαγνητικών πόλων και των άκρων που συνδέονται με μονωμένους ημιδακτυλίους (συλλέκτης). Για να λειτουργήσει η συσκευή, είναι απαραίτητο να εξασφαλίσετε την περιστροφή του πλαισίου με τον συλλέκτη. Τότε θα προκληθεί ηλεκτρικό ρεύμα σε αυτό, αλλάζοντας την κατεύθυνσή του υπό την επίδραση γραμμών μαγνητικού πεδίου. Στην εξωτερική αλυσίδα, θα πάει προς μία μόνο κατεύθυνση. Αποδεικνύεται ότι ο συλλέκτης θα διορθώσει το εναλλασσόμενο ρεύμα που παράγεται από το πλαίσιο. Για να επιτευχθεί σταθερό ρεύμα, ο συλλέκτης αποτελείται από τριάντα έξι ή περισσότερες πλάκες και ο αγωγός αποτελείται από πολλά πλαίσια με τη μορφή περιέλιξης οπλισμού.

Ας εξετάσουμε ποιος είναι ο σκοπός της πηγής ρεύματος στο ηλεκτρικό κύκλωμα. Ας μάθουμε ποιες άλλες τρέχουσες πηγές υπάρχουν.

Ηλεκτρικό κύκλωμα: ηλεκτρικό ρεύμα, ισχύς ρεύματος, πηγή ρεύματος

Το ηλεκτρικό κύκλωμα αποτελείται από μια πηγή ρεύματος, η οποία, μαζί με άλλα αντικείμενα, δημιουργεί μια διαδρομή για το ρεύμα. Και οι έννοιες του EMF, του ρεύματος και της τάσης αποκαλύπτουν τις ηλεκτρομαγνητικές διεργασίες που συμβαίνουν σε αυτήν την περίπτωση.

Το απλούστερο ηλεκτρικό κύκλωμα αποτελείται από μια πηγή ρεύματος (μπαταρία, γαλβανική κυψέλη, γεννήτρια κ.λπ.), καταναλωτές ενέργειας (ηλεκτρικές θερμάστρες, ηλεκτροκινητήρες κ.λπ.), καθώς και καλώδια που συνδέουν τους ακροδέκτες της τάσης πηγή και τον καταναλωτή.

Το ηλεκτρικό κύκλωμα έχει εσωτερικά (πηγή ηλεκτρικής ενέργειας) και εξωτερικά (καλώδια, διακόπτες και διακόπτες, όργανα μέτρησης) εξαρτήματα.

Θα λειτουργήσει και θα έχει θετική τιμή μόνο εάν παρέχεται κλειστό κύκλωμα. Οποιαδήποτε διακοπή προκαλεί τη διακοπή της ροής του ρεύματος.

Το ηλεκτρικό κύκλωμα αποτελείται από μια πηγή ρεύματος με τη μορφή γαλβανικών στοιχείων, ηλεκτρικών συσσωρευτών, ηλεκτρομηχανικών και θερμοηλεκτρικών γεννητριών, φωτοκυττάρων και ούτω καθεξής.

Οι ηλεκτροκινητήρες λειτουργούν ως ηλεκτρικοί δέκτες, οι οποίοι μετατρέπουν την ενέργεια σε μηχανικές συσκευές, συσκευές φωτισμού και θέρμανσης, εγκαταστάσεις ηλεκτρόλυσης και ούτω καθεξής.

Ο βοηθητικός εξοπλισμός είναι συσκευές που χρησιμοποιούνται για την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση, τα όργανα μέτρησης και τους προστατευτικούς μηχανισμούς.

Όλα τα συστατικά χωρίζονται σε:

• ενεργό (όπου το ηλεκτρικό κύκλωμα αποτελείται από πηγή ρεύματος EMF, ηλεκτρικούς κινητήρες, μπαταρίες κ.λπ.);
• παθητικό (που περιλαμβάνει ηλεκτρικούς δέκτες και καλωδιώσεις σύνδεσης).

Η αλυσίδα μπορεί επίσης να είναι:

• γραμμικό, όπου η αντίσταση του στοιχείου χαρακτηρίζεται πάντα από μια ευθεία γραμμή;
• μη γραμμικό, όπου η αντίσταση εξαρτάται απότάση ή ρεύμα.

Εδώ είναι το απλούστερο κύκλωμα, όπου μια πηγή ρεύματος, ένα κλειδί, μια ηλεκτρική λάμπα, ένας ρεοστάτης περιλαμβάνονται στο κύκλωμα.

Παρά την πανταχού παρουσία τέτοιων τεχνικών συσκευών, ειδικά τον τελευταίο καιρό, οι άνθρωποι κάνουν όλο και περισσότερες ερωτήσεις σχετικά με την εγκατάσταση εναλλακτικών πηγών ενέργειας.

Ποικιλίες πηγών ηλεκτρικής ενέργειας

Ποιες πηγές ηλεκτρικού ρεύματος εξακολουθούν να υπάρχουν; Δεν είναι μόνο ο ήλιος, ο άνεμος, η γη και οι παλίρροιες. Έχουν ήδη γίνει οι λεγόμενες επίσημες εναλλακτικές πηγές ηλεκτρικής ενέργειας.

Πρέπει να πω ότι υπάρχουν πολλές εναλλακτικές πηγές. Δεν είναι κοινά, γιατί δεν είναι ακόμα πρακτικά και βολικά. Αλλά ποιος ξέρει, ίσως το μέλλον να είναι ακριβώς πίσω τους.

Έτσι, η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να ληφθεί από το αλμυρό νερό. Η Νορβηγία έχει ήδη κατασκευάσει ένα εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνολογία.

Οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας μπορούν επίσης να λειτουργούν σε κυψέλες καυσίμου με ηλεκτρολύτη στερεού οξειδίου.

Οι πιεζοηλεκτρικές γεννήτριες είναι γνωστό ότι τροφοδοτούνται από κινητική ενέργεια (μονοπάτια, τροχόσπιτα, τουρνικέ, ακόμη και πίστες χορού υπάρχουν ήδη με αυτήν την τεχνολογία).

Υπάρχουν επίσης νανογεννήτριες που στοχεύουν στη μετατροπή της ενέργειας στο ανθρώπινο σώμα σε ηλεκτρική ενέργεια.

Και τι γίνεται με τα φύκια που χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση των σπιτιών, τα ποδοσφαιρικά ξίφη που δημιουργούνηλεκτρική ενέργεια, ποδήλατα που μπορούν να φορτίσουν gadget, ακόμη και λεπτοκομμένο χαρτί που χρησιμοποιείται ως πηγή ενέργειας;

Οι τεράστιες προοπτικές ανήκουν φυσικά στην ανάπτυξη της ηφαιστειακής ενέργειας.

Όλα αυτά είναι η πραγματικότητα του σήμερα, πάνω στην οποία εργάζονται οι επιστήμονες. Είναι πιθανό κάποια από αυτά να γίνουν σύντομα εντελώς συνηθισμένα, όπως ο ηλεκτρισμός στα σπίτια σήμερα.

Ίσως κάποιος αποκαλύψει τα μυστικά του επιστήμονα Νίκολα Τέσλα και η ανθρωπότητα θα μπορέσει να λάβει εύκολα ηλεκτρική ενέργεια από τον αιθέρα;