Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар
§ 25. Джерела електричного струму
Багатьом знайома ситуація: необхідно терміново зателефонувати, ви берете мобільний телефон і з прикрістю виявляєте, що батарея акумуляторів розрядилась, а телефон із дива технічної думки перетворився на шматок пластику. Те саме може статись і з акумуляторами фотоапарата, плеєра, ліхтарика, годинника. Що робити далі, знає навіть першокласник, а от що таке акумулятор, ви дізнаєтесь із цього параграфа.
1. Знайомимося з джерелами електричного струму
Зрозуміло, що будь-який справний електротехнічний пристрій працюватиме тільки тоді, коли виконані умови існування електричного струму: наявність вільних заряджених частинок і наявність електричного поля. За створення електричного поля «відповідають» джерела струму.
У джерелах електричного струму електричне поле створюється й підтримується завдяки розділенню різнойменних електричних зарядів.
У результаті на одному полюсі джерела накопичуються частинки, що мають позитивний заряд, а на другому — частинки, що мають негативний заряд. Між полюсами виникає електричне поле.
Однак розділити різнойменні заряди не так просто, адже між ними існують сили притягання. Для розділення різнойменних зарядів, а отже, для створення електричного поля необхідно виконати роботу. І виконати її можна за рахунок механічної, хімічної, теплової та інших видів енергії.
Джерела електричного струму — пристрої, які перетворюють різні види енергії на електричну енергію.
2. Дізнаємося про різні види джерел електричного струму
Усі джерела електричного струму можна умовно розділити на фізичні і хімічні.
До фізичних джерел електричного струму прийнято відносити пристрої, в яких розділення зарядів відбувається за рахунок механічної, світлової або теплової енергії. Прикладами таких джерел струму можуть бути електрофорна машина (рис. 25.1), турбогенератори електростанцій (рис. 25.2), фото- і термоелементи (рис. 25.3, 25.4) тощо.
Який вид енергії перетворюється на електричну енергію в динамо-генераторі велосипеда? у вітровому генераторі?
Хімічними джерелами електричного струму називають пристрої, в яких розподіл зарядів відбувається за рахунок енергії, що виділяється внаслідок хімічних реакцій. До хімічних джерел струму належать гальванічні елементи й акумулятори.
Рис. 25.1. Якщо різнойменно заряджені кондуктори електрофорної машини з’єднати з електричною лампою, в лампі виникне електричний струм. Лампа світитиметься, поки обертаються диски машини, — в цьому випадку механічна енергія перетворюється на електричну
Рис. 25.2. Завдяки турбогенераторам, що перетворюють механічну енергію обертання турбін на енергію електричного струму, виробляють 80% споживаної у світі електроенергії
Рис. 25.3. Сонячні батареї супутника дистанційного зондування Землі постачають електроенергію для всієї дослідницької апаратури. Сонячні батареї перетворюють енергію світла на електричну енергію
Рис. 25.4. Термопара — пристрій для перетворення теплової енергії на електричну. До кінців константанового дроту (1) припаяно два залізні дроти (2), вільні кінці яких (3) з’єднані з гальванометром* (4). Якщо нагріти місце спаю, гальванометр зафіксує наявність струму
3. Створюємо гальванічний елемент
Візьмемо мідну й цинкову пластинки та очистимо їхні поверхні. Між пластинками покладемо тканину, змочену в слабкому розчині сульфатної кислоти. Виготовлений пристрій являє собою найпростіший гальванічний елемент (рис. 25.5). Якщо з’єднати пластинки через гальванометр*, то прилад зафіксує наявність струму.
Гальванічний елемент створив італійський учений А. Вольта (рис. 25.6); він назвав його на честь свого співвітчизника — анатома і фізіолога Луїджі Ґальвані (1737-1798). Досліди, описані Ґальвані, підказали А. Вольті ідею створення хімічного джерела струму.
Будь-який гальванічний елемент складається з двох електродів та електроліту.
Між електродами й електролітом відбуваються хімічні реакції, в результаті яких один із електродів набуває позитивного заряду, а інший електрод — негативного заряду. Коли запас речовин, що беруть участь у реакціях, виснажується, гальванічний елемент припиняє роботу.
Рис. 25.5. Найпростіший гальванічний елемент
Рис. 25.6. Алессандро Вольта (1745-1827) — італійський фізик, винахідник батареї гальванічних елементів («вольтів стовп»)
* Гальванометр — чутливий електровимірювальний прилад, який часто використовують як індикатор наявності слабкого електричного струму.
4. Вивчаємо акумулятори
Із часом гальванічні елементи стають непридатними до роботи, і їх не можна використати вдруге. А от інший вид хімічних джерел електричного струму — електричні акумулятори — можна використовувати багаторазово.
Акумулятори, як і гальванічні елементи, складаються з двох електродів, поміщених в електроліт. Так, свинцевий акумулятор, використовуваний в автомобілях, має один електрод зі свинцю, а другий — із оксиду свинцю (плюмбум діоксиду); електролітом слугує водний розчин сульфатної кислоти.
Якщо електроди (полюси) зарядженого акумулятора під’єднати, наприклад, до електричної лампи розжарення, то в її нитці потече струм. Усередині ж акумулятора відбуватимуться хімічні реакції, в результаті яких електрод із свинцю весь час буде заряджений негативно, а електрод із оксиду свинцю — позитивно. При цьому сульфатна кислота перетворюватиметься на воду. Коли концентрація сульфатної кислоти зменшиться до певного граничного значення, акумулятор розрядиться — припинить роботу. Однак його можна знову зарядити. Під час заряджання акумулятора хімічні реакції йдуть у зворотному напрямку і концентрація сульфатної кислоти відновлюється.
5. Застосовуємо хімічні джерела електричного струму
Акумулятори, як і гальванічні елементи, зазвичай об’єднують й одержують відповідно акумуляторну батарею і батарею гальванічних елементів (рис. 25.7).
За принципом дії сучасні хімічні джерела струму майже не відрізняються від тих, що були створені близько двох століть тому. При цьому нині існує велика кількість різноманітних видів гальванічних елементів і акумуляторів та здійснюється активна розробка нових. Один від одного вони відрізняються розмірами, масою, енергоємністю, терміном роботи, надійністю, безпекою, вартістю тощо.
Рис. 25.7. Широко використовувані хімічні джерела електричного струму: батарея гальванічних елементів (а); акумуляторні батареї (б, в)
Вибір того чи іншого хімічного джерела струму продиктований сферою його застосування. Так, в автомобілях доцільно використовувати відносно дешеві кислотні акумуляторні батареї, і те, що вони досить важкі, не є вирішальним. А от джерела струму для мобільних телефонів мають бути легкими та безпечними, тому в них варто використовувати, наприклад, літій-іонні батареї, хоча вони є порівняно дорогими.
Підбиваємо підсумки
Пристрої, які перетворюють різні види енергії на електричну енергію, називають джерелами електричного струму.
У джерелах електричного струму відбувається розділення різнойменних електричних зарядів, у результаті чого на одному полюсі джерела накопичується позитивний заряд, на другому — негативний, а отже, створюється електричне поле.
У джерелах електричного струму робота з розділення різнойменних зарядів виконується за рахунок механічної, хімічної, теплової та інших видів енергії.
До хімічних джерел електричного струму належать гальванічні елементи й акумулятори. Гальванічний елемент — хімічне джерело електричного струму одноразового використання. Акумулятор — хімічне джерело електричного струму багаторазового використання.
Контрольні запитання
1. Які пристрої називають джерелами електричного струму? 2. Які процеси відбуваються в джерелах електричного струму? 3. Чому для розділення різнойменних зарядів необхідно виконати роботу? 4. За рахунок якої енергії може здійснюватися розділення різнойменних зарядів у джерелі електричного струму? 5. Які джерела електричного струму ви знаєте? Наведіть приклади їх використання в техніці.
Вправа № 25
1. Які перетворення енергії відбуваються:
- а) під час заряджання акумулятора?
- б) під час роботи акумулятора?
2. Як на двох електроскопах, які з’єднані металевим провідником (див. рис. 23.1, б), підтримувати протилежні за знаком електричні заряди?
3. Які перетворення енергії відбуваються під час роботи гідроелектростанції?
4. Чи працюватиме найпростіший гальванічний елемент (див. рис. 25.5), якщо для його виготовлення взяти пластинки з однакового металу?
5. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтесь, які спостереження та досліди Л. Ґальвані підштовхнули А. Вольту до створення хімічного джерела електричного струму.
6. Загальна потужність генераторів Дністровської гідроелектростанції дорівнює 702 МВт, ККД — 92 %; висота падіння води — 54 м. Визначте масу води, що падає з греблі за хвилину.
Експериментальне завдання
«Фруктова батарейка». Візьміть лимон, мідну монету (або дріт), залізний цвях і виготовте із цих предметів гальванічний елемент. Намалюйте його будову, зазначте назви основних елементів. Якщо у вас є тестер (мультиметр), переконайтеся, що ваше джерело струму працює. Якщо тестера немає, принесіть ваш пристрій до школи та перевірте його за допомогою гальванометра. Поміркуйте, яким фруктом або овочем можна замінити лимон.