Фізика. Повторне видання. 8 клас. Барʼяхтар (2025)

§ 33. Джерела електричного струму

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ. Згадайте умови існування електричного струму і сформулюйте гіпотезу щодо пристроїв, які можуть «відповідати» за наявність електричного поля.

1. Які пристрої називають джерелами струму?

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 іншому — 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, використовуючи механічну, хімічну, теплову та інші види енергії.

Джерела електричного струму — пристрої, які перетворюють різні види енергії на електричну енергію.

2. Чим фізичні джерела струму відрізняються від хімічних?

Усі джерела електричного струму можна умовно розділити на фізичні і хімічні.

До фізичних джерел електричного струму прийнято відносити пристрої, у яких розділення зарядів відбувається завдяки механічній, світловій або тепловій енергії. Прикладами таких джерел струму можуть бути турбогенератори електростанцій (рис. 33.1), електрофорна машина (рис. 33.2), фото- і термоелементи (рис. 33.3, 33.4), вітроелектростанції тощо.

Рис. 33.1. Турбогенератори, що перетворюють механічну енергію обертання турбін на енергію електричного струму, виробляють значну долю споживаної у світі електроенергії

Рис. 33.2. Якщо різнойменно заряджені кондуктори електрофорної машини з'єднати з електричною лампою, у лампі виникне електричний струм. Лампа світитиметься, поки обертаються диски машини, — у цьому випадку механічна енергія перетворюється на електричну

Рис. 33.3. Сонячні батареї супутника дистанційного зондування Землі постачають електроенергію для всієї дослідницької апаратури. Сонячні батареї перетворюють енергію світла на електричну енергію

Рис. 33.4. 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

Хімічними джерелами електричного струму називають пристрої, у яких розподіл зарядів відбувається завдяки енергії, що виділяється внаслідок хімічних реакцій. До хімічних джерел струму належать гальванічні елементи й акумулятори.

• Який вид енергії перетворюється на електричну енергію в динамо-генераторі велосипеда? у вітровому генераторі?

3. Як створити 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. 33.5). Якщо з’єднати пластинки через гальванометр*, то прилад зафіксує наявність струму.

Рис. 33.5. Найпростіший гальванічний елемент

* Гальванометр — чутливий електровимірювальний прилад, який часто використовують як індикатор наявності слабкого електричного струму.

Гальванічний елемент створив італійський учений А. Вольта (рис. 33.6); він назвав його на честь свого співвітчизника — анатома і фізіолога Луїджі Гальвані (1737-1798). Досліди, описані Гальвані, підказали А. Вольті ідею створення хімічного джерела струму.

Рис. 33.6. Алессандро Вольта (1745-1827) — італійський фізик, винахідник батареї гальванічних елементів («вольтів стовп»)

Будь-який гальванічний елемент складається з двох електродів та електроліту.

Між електродами й електролітом відбуваються хімічні реакції, в результаті яких один з електродів набуває позитивного заряду, а інший електрод — негативного заряду. Коли запас речовин, що беруть участь у реакціях, вичерпується, гальванічний елемент припиняє роботу.

4. Чи відрізняються акумулятори від гальванічних елементів?

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 електрод зі свинцю, а інший — з оксиду свинцю; 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, у результаті яких електрод зі свинцю весь час буде заряджений негативно, а електрод з 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.

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...

Паливні елементи є одним із перспективних мобільних джерел електричної енергії. Вони знаходяться, так би мовити, посередині між традиційними джерелами, які перетворюють теплову енергію на електрику, та акумуляторами. З обох видів джерел енергії паливні елементи «взяли» найкраще. Вони позбавлені недоліка акумуляторів — періодичного розряджання, і в них немає важкого генератора. Ще одна перевага — паливом слугує водень (гідроґен), результатом згоряння якого є вода. Тобто паливні елементи не створюють шкідливих викидів в атмосферу. На жаль, ціна цих елементів є дуже високою. Тому у світі загальна кількість транспортних засобів — автомобілів, автобусів, літаків, поїздів, кораблів, які використовують паливні елементи, ще незначна, хоча вже існують заправні станції (див. рисунок).

5. Де і як застосовують хімічні джерела електричного струму?

Акумулятори, як і гальванічні елементи, зазвичай об’єднують й одержують відповідно акумуляторну батарею і батарею гальванічних елементів (рис. 33.7).

Рис. 33.7. Широко використовувані хімічні джерела електричного струму: батарея гальванічних елементів (а); акумуляторні батареї (б, в)

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.

Вибір того чи іншого хімічного джерела струму зумовлений сферою його застосування. Так, в автомобілях з бензиновими двигунами 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-йонні батареї, хоча вони є порівняно дорогими.

А ЯК НАСПРАВДІ?

Ведучий подкаста почав дискусію щодо альтернативних джерел електричної енергії. Як перший приклад він розмістив фото припливної електростанції (рис. 1). Вона дуже нагадує масив вітряних генераторів, тільки розміщена під водою. Коли починається приплив, підводні «вітряки» обертаються в один бік, під час відпливу — у протилежний.

Рис. 1

З другим прикладом виникла проблема. Ведучий зазначив: «Я точно знаю, що існують хвильові генератори, які гойдаються на хвилях та виробляють електричну енергію. Я навіть отримав від одного зі слухачів схему такого генератора (рис. 2). На жаль, це схема, а не фото. До того ж без пояснень. Тому я не знаю, чи може працювати цей прилад, чи то чиїсь фантазії».

Рис. 2

А як думаєте ви? Чи може прилад, схематично зображений на рис. 2, виробляти електричну енергію?

ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ

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. Завдяки якій енергії може здійснюватися розділення різнойменних зарядів у джерелі електричного струму? 5. Які джерела електричного струму ви знаєте? Наведіть приклади їх використання в техніці.

ВПРАВА № 33

1. Які перетворення енергії відбуваються: а) під час заряджання акумулятора? б) під час роботи акумулятора?

2. Як на двох електрометрах, з’єднаних металевим провідником (див. рис. 31.1, б), підтримувати протилежні за знаком електричні заряди?

3. Які перетворення енергії відбуваються під час роботи гідроелектростанції?

4. Чи працюватиме найпростіший гальванічний елемент (див. рис. 33.5), якщо для його виготовлення взяти пластинки з однакового металу?

5. На рисунку зображено структуру й основні складові гальванічного елемента (батарейки) типу АА і літій-йонного акумулятора. Визначте, де який пристрій, і коротко опишіть принцип роботи кожного з них.

6. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, які спостереження та досліди Л. Гальвані підштовхнули А. Вольту до створення хімічного джерела електричного струму.

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.

Ключові терміни

Джерела електричного струму • Гальванічні елементи • Акумулятори