Фізика. 8 клас. Пістун

§ 28. Джерела струму

  • Які види енергії вам відомі?

1. Нагадаємо, що для існування електричного струму в провіднику необхідно створити і підтримувати в ньому електричне поле. Електричне поле в провідниках створюється і може підтримуватися джерелами електричного струму.

У джерелі струму здійснюється робота з розділення позитивно і негативно заряджених частинок. Ці частинки накопичуються на полюсах джерела струму. Один полюс заряджається позитивно, інший — негативно.

Між полюсами джерела струму утворюється електричне поле, і якщо з’єднати їх провідником, то поле виникне і в провіднику. Вільні заряджені частинки в провіднику (електрони) почнуть рухатися впорядковано під дією цього поля, тобто у провіднику виникне електричний струм.

2. У будь-якому джерелі струму, як уже вказувалося, здійснюється робота з розділення заряджених частинок. При цьому різні види енергії (механічна, хімічна, внутрішня) перетворюються в електричну.

Наприклад, перетворення механічної енергії в електричну відбувається в електрофорній машині (рис. 85).

При обертанні рукоятки машини приходять у рух її пластмасові диски, що розміщуються на невеликій відстані один від одного. На кожному диску наклеєні на рівних відстанях пластинки з тонкої металевої фольги.

Рис. 85

При обертанні дисків у протилежні сторони пластинки фольги електризуються. Частина зарядів, які при цьому утворюються, використовується для підсилення заряду провідника. Пластинки з фольги, нанесені на диски, дотикаються до металевих щіток електрофорної машини, які й передають заряд на кулі. Відбувається неперервне розділення зарядів, унаслідок якого одна з куль електрофорної машини заряджається позитивно, інша — негативно. Якщо їх з’єднати провідником, то в ньому потече електричний струм.

3. Перетворення внутрішньої енергії в електричну можна спостерігати під час наступного досліду. Якщо нагріти місце з’єднання двох провідників, виготовлених з різних металів (рис. 86), то прилад зафіксує електричний струм. Таке джерело струму називають термоелементом.

4. У гальванічному елементі (батарейці) (рис. 87) заряди розділяються при хімічних реакціях, і внутрішня енергія, що виділяється під час цих реакцій, перетворюється в електричну.

Гальванічний елемент і акумулятор є одними з перших джерел струму та використовуються і в наш час.

Рис. 86

Рис. 87

Свою назву ці джерела струму отримали на честь італійського медика, професора анатомії Луїджі Гальвані (1737-1798).

Історія фізики знає чимало відкриттів, що виникли випадково. Яскравим прикладом подібного відкриття є вже відомий вам дослід Гальвані. Вчений досліджував нервову систему жаби. Зовсім випадково торкнувшись вістрям скальпеля нервів препарованої жаби, він виявив скорочення м’язів її лапки. Явище було настільки незвичайним і несподіваним, а причини — настільки незрозумілими, що, як писав Гальвані, він «загорівся неймовірною завзятістю і пристрасним бажанням досліджувати це явище і винести на світло те, що було в ньому прихованого».

Луїджі Гальвані (1737-1798) - італійський медик і фізик. Досліди, описані ним, лягли в основу створення хімічного джерела струму.

Учений провів величезну кількість різних експериментів, висував найрізноманітніші гіпотези. Зокрема, Гальвані встановив, що для спостереження цього незвичайного явища потрібні метали, і показав, що різні метали дають різну ступінь ефекту. Однак, будучи фізіологом, а не фізиком, Гальвані вирішив, що в тілі жаби існує особлива «тваринна електрика».

Італійський фізик Алессандро Вольта (1745-1827), вивчаючи досліди Гальвані, прийшов до іншого висновку. Причиною скорочення м’язів є не «тваринна електрика», а електричний струм, що виникає внаслідок дотику металу до вологого тіла жаби, яка лежить на металевій поверхні. Саме контакт двох різнорідних металів став своєрідним джерелом струму.

Розглянемо детальніше будову гальванічного елемента.

Найпростіший гальванічний елемент — елемент Вольта — складається з двох металевих пластин, мідної та цинкової, опущених у водний розчин сульфатної кислоти (H2SO4) (рис. 88). В результаті взаємодії металів із кислотою мідна пластина стає позитивно зарядженою, а цинкова — негативно зарядженою.

Між цими зарядженими пластинами, які називають електродами, виникає електричне поле. Якщо з’єднати електроди провідником, то в ньому виникне електричний струм.

Алессандро Джузеппе Вольта (1745-1827) - італійський фізик. Сконструював перше хімічне джерело постійного електричного струму.

Рис. 88

5. На практиці застосовують сухі гальванічні елементи. Будь-яка побутова електрична батарейка — це сухий гальванічний елемент або батарея таких елементів.

Зображений на рисунку 89 сухий гальванічний елемент складається з цинкової посудини 1, в яку вставлено вугільний стержень 2. Стержень міститься в полотняному мішечку 3, наповненому сумішшю перекису марганцю з вугіллям. У сухому гальванічному елементі замість рідини використовують густий клейстер з борошна і розчину нашатирю 4. Уся цинкова посудина поміщена в коробку з пластмаси і залита зверху шаром смоли 5. Клема на вугільному стержні є позитивним полюсом елемента, а цинкова посудина — негативним полюсом.

Батарея кишенькового ліхтаря складається з декількох гальванічних елементів, з’єднаних один з одним.

Рис. 89

Відмінною особливістю всіх гальванічних елементів є те, що при їхній роботі витрачається речовина електродів і розчину. Тому через деякий час вони приходять в непридатність, і їх необхідно замінювати новими. З цією особливістю електричних батарейок ви напевно стикалися у своїй практиці.

6*. Акумулятори — інший тип джерела струму. Однією з переваг акумулятора є те, що в них речовина електродів не витрачаються.

Найпростіший акумулятор складається з двох цинкових пластин, поміщених у розчин сірчаної кислоти. Для того, щоб акумулятор став джерелом струму, його спочатку треба зарядити. Для зарядки акумулятора через нього пропускають струм від якого-небудь іншого джерела струму. Після того, як акумулятор зарядиться, його можна використовувати як самостійне джерело струму.

У процесі зарядки електричний струм в акумуляторі здійснює роботу, в результаті якої електрична енергія перетворюється в хімічну енергію акумулятора. При розрядці акумулятора ця енергія перетворюється в електричну.

Акумулятори бувають різних видів: свинцеві (або кислотні), залізо-нікелеві (або лужні). Але принцип роботи у них однаковий — вони акумулюють (накопичують) енергію, перш ніж стати самостійним джерелом струму.

З роботою акумуляторів ви часто зустрічаєтеся в повсякденному житті. Наприклад, в будь-якому автомобілі він служить для запуску двигуна. Акумулятори використовуються і для освітлення в тих випадках, коли неможливо або незручно використовувати електричний струм, що надходить по дротах від електростанцій, — в підводних човнах, космічних кораблях і т. ін. Зараз акумулятори все ширше використовуються для живлення різної електронної апаратури (радіоприймачів, магнітофонів, телефонів та ін.).

7. Як джерела струму все частіше використовують сонячні батареї, в яких енергія випромінювання Сонця перетворюється в електричну енергію. Поверхні сонячних батарей покривають напівпровідниковою речовиною.

Під дією світла в напівпровіднику виникає електричний струм, який потім акумулюється в сонячних батареях. Такі джерела струму використовуються, наприклад, в калькуляторах. Усі енергетичні установки орбітальних станцій, в тому числі і МКС (Міжнародна космічна станція), яка працює з 1998 р. (рис. 90), приводяться в дію від сонячних батарей.

Рис. 90

Запитання для самоперевірки

  • 1. Яке основне призначення джерела струму? Наведіть приклади відомих вам джерел струму.
  • 2. Яка енергія може перетворюватися у джерелі струму в електричну?
  • 3. Який принцип роботи гальванічного елемента?
  • 4. Що собою являє елемент Вольта?
  • 5. Що спільного в будові елемента Вольта і сухого гальванічного елемента? Чим вони відрізняються один від одного?
  • 6*. У чому полягає принципова відмінність гальванічного елемента від акумулятора? Що між ними спільного?
  • 7. Наведіть приклади використання гальванічних елементів і акумуляторів у побуті й техніці.

Завдання 28

  • 1. Виготовте вдома джерело струму. Для цього візьміть лимон (або будь-який інший цитрусовий фрукт) і два куски металу: мідний дріт і тонку цинкову пластинку. Якщо не знайдете вдома кусків дроту, замініть їх будь-якою мідною монетою і оцинкованим цвяхом. Розріжте лимон і вставте в нього ці шматочки металу так, щоб вони були досить близько, але не торкалися один одного (рис. 91). Величина струму, щоправда, буде досить слабкою, і якщо з’єднати його полюси провідником з лампочкою, вона не засвітиться. Але переконатися в тому, що струм є, можна: доторкніться язиком до провідників, з’єднаних з полюсами джерела струму (не бійтеся, це безпечно). Ви відчуєте легке поколювання, пощипування, схоже з відчуттям, що виникає, коли куштуєш щось кисле. Яка енергія перетворюється в електричну у вашому джерелі струму?

Рис. 91

  • 2. Як ви думаєте, що станеться, якщо в елементі Вольта цинкову пластинку замінити іншою, мідною?
  • 3. Одна з найактуальніших проблем сучасного автомобілебудування — створення автомобілів з електродвигунами, які замінили б екологічно «брудні» машини з двигунами внутрішнього згоряння. Використання акумуляторів в електромобілях створює безліч проблем, які до цього часу ще до кінця не вирішені. Подумайте і вкажіть, у чому полягають ці проблеми, а також запропонуйте деякі шляхи їх вирішення.
  • 4. Заповніть таблицю.

Джерела струму

Спосіб розділення зарядів

Приклад джерел струму

Застосування

Механічні

Хімічні

Теплові

Світлові

Робота за комп’ютером

Вивчіть матеріал уроку і виконайте запропоноване в електронному додатку завдання.