Конспект урока: Источники тока

Виды источников электрического тока

В любом источнике тока происходит работа по разделению положительных и отрицательных зарядов, которые накапливаются на полюсах источника. Работу по разделению зарядов совершают сторонние силы в источнике. Для совершения этой работы необходима энергия, поэтому в каждом источнике тока происходит преобразование какого-то вида энергии — механической, тепловой или иной — в электрическую.

Для получения электрической энергии источники тока могут использовать механическую, тепловую, световую или химическую энергию.

К механическим источникам тока можно отнести электрофорную машину и генератор. В таких устройствах механическая энергия преобразуется в электрическую.

Рис. 1. Электрофорная машина

Электрофорная машина изображена на рисунке 1. 

Она состоит из двух дисков, покрытых токопроводящими сегментами, которые вращаются навстречу друг другу. В результате взаимного трения дисков на них образуются заряды противоположных знаков. Мощность подобной машины достигает значения 20–25 кВт.

 

Порядка 80 % всей электроэнергии, потребляемой человечеством, получают с помощью индукционных генераторов.

Рис. 2. Термоэлемент

Генераторы преобразовывают механическую энергию, которая может быть получена от паровой, газовой турбины или другого источника, в электрическую. Более подробно работа индукционных генераторов будет рассмотрена при изучении магнитных явлений.

 

Источники тока, в которых тепловая энергия преобразуется в электрическую, называются термогенераторы. Основной элемент конструкции таких генераторов — это термопара (термоэлемент). Термопара представляет собой две спаянные между собой проволоки из разных металлов (рис. 2).

Рис. 3. Фотоэлемент

При нагревании места спайки заряды разделяются и в цепи возникает электрический ток.

 

Электрическую энергию можно получить путём преобразования энергии света. На этом явлении основана работа солнечных батарей и фотоэлементов.
 

Конструкция фотоэлемента представлена на рисунке 3.

Рис. 4. Испускание электронов металлом под действием света

Принцип работы фотоэлемента заключается в вырывании электронов с поверхности металла под действием света (рис. 4). Данное явление получило название фотоэффект.
 

В быту наиболее часто используются химические источники тока: батарейки — гальванические элементы и аккумуляторы.

В конце XVIII века итальянский анатом Луиджи Гальвани обнаружил сокращение мышц препарированной лягушки при прикосновении к ней разными концами медной и цинковой проволочек, спаянных между собой. В то время учёный решил, что он стал открывателем «животного электричества».
 

Однако вскоре итальянским физиком Алессандро Вольта было установлено, что сокращение мышц — лишь индикация наличия электрического тока. На самом деле ток возникал из-за контакта соединённых между собой проволочек, изготовленных из разных металлов, с органической жидкостью в теле животного. Жидкости, способные проводить электрический ток, называются электролитами. Дальнейшее исследование данного явления позволило изобрести химический источник тока.

Рис. 5. Вольтов столб

Первый гальванический элемент был создан Алессандо Вольта в 1799 г. Это была конструкция из медного и цинкового кружочков. Между металлами был проложен кусочек ткани, пропитанный серной кислотой. Опыты показали, что на меди при этом скапливается избыточный положительный заряд, на цинке — отрицательный. Полученное напряжение было порядка 1 вольта. Чтобы увеличить значение напряжения, физик проложил несколько слоёв цинковых и медных пластинок и сукна, пропитанного кислотой. Полученная конструкция получила название «вольтов столб» (рис. 5).

Рассмотрим процессы, происходящие при контакте металлов и растворов.
 

Оказывается, некоторые металлы, такие как алюминий, цинк и железо, растворяются при погружении в электролит. Положительные ионы этих металлов переходят в жидкость, свободные электроны при этом остаются на твёрдом веществе. В результате потери положительного заряда электрод оказывается заряжен отрицательно, раствор электролита — положительно.
 

Другие металлы при погружении в электролит притягивают к себе положительные ионы из раствора. Такими свойствами обладают медь, серебро, золото и платина. Электроды, изготовленные из этих металлов, заряжаются положительно.
 

Благодаря химическим реакциям, протекающим между металлами и электролитом, между электродами гальванического элемента возникает напряжение. Если соединить отрицательный (анод) и положительный (катод) электроды проводников, создаётся замкнутая электрическая цепь, по которой течёт электрический ток.

Рис. 6. Получение электричества из меди, алюминия и картофеля

Вольтов столб можно получить в домашних условиях. Для этого вам понадобится картофелина, несколько медных монеток, алюминиевая фольга и низковольтный диод.
 

Сок картошки является естественным электролитом, вместо картофелины можно использовать лимон, апельсин или яблоко.
 

Импровизированная батарейка состоит из нескольких слоёв:

медная монетка, кусочек алюминиевой фольги, кусочек картошки, затем снова монета, фольга, картошка и так далее. Чем больше слоёв, тем большее напряжение можно получить на выходе. Наверху конструкции должен быть кусочек картофеля, внизу — медь (рис. 6).

Один из концов диода необходимо прижать к верхнему кусочку картофеля, 
второй — просунуть под нижнюю монету. Если выводы диода слишком короткие, используйте соединительные провода, в качестве которых может выступать тонкая проволочка. При замыкании электрической цепи вы увидите, что диод загорелся. Чем больше слоёв включает ваша батарейка, тем ярче будет свечение диода.

Рис. 7. Устройство гальванического элемента

В современных батарейках в качестве катода выступает графитовый стержень, в качестве анода — цинковый сосуд (рис. 7).

 

В результате химической реакции от цинка отделяются положительные ионы, которые притягивает графит.

 

При эксплуатации гальванического элемента происходит так называемая поляризация.

Поляризация гальванического элемента — это процесс образования новых химических соединений на электродах, состав этих соединений отличается от химического состава катода и анода. В результате образования этих соединений увеличивается сопротивление батарейки, а напряжение между её полюсами падает, поэтому все батарейки имеют ограниченный ресурс работы и являются одноразовыми. В современных гальванических элементах, чтобы избежать поляризации, используют хлорид аммония.

Рис. 8. Упрощённая схема аккумулятора

Другой распространённый химический источник тока — аккумулятор. Он является накопителем электрического заряда, предназначен для многоразового использования и имеет продолжительный срок службы.
 

На рисунке 8 представлена упрощённая схема свинцового аккумулятора, установленного в каждом автомобиле.

Основные элементы такого аккумулятора — положительная и отрицательная пластины (катод и анод), а также раствор электролита.

Рис. 9. Кислотный аккумулятор в разрезе

 

В заряженном состоянии отрицательный электрод состоит из чистого свинца, положительный — из оксида свинца. Пластины находятся в растворе серной кислоты и разделены сепаратором — пористым изолятором (рис. 9). Получаемое напряжение составляет порядка 2 В.

При подключении аккумулятора к потребителю электрического тока начинается его разрядка: в результате химической реакции катод и анод меняют свой химический состав, превращаясь в сульфат свинца, концентрация серной кислоты в электролите уменьшается. 

При эксплуатации аккумулятора следует знать, что разряжать его полностью нельзя, так как прибор в этом случае выйдет из строя.
 

Для зарядки аккумулятора необходимо подключить к нему внешний источник тока. При этом запускаются обратные реакции, на аноде выделяется водород, на катоде — кислород, концентрация серной кислоты вновь увеличивается. Зарядка аккумулятора сопровождается выделением смеси газов, являющихся взрывоопасными, поэтому в процессе зарядки необходимо следовать правилам пожарной безопасности.

В транспорте обычно используются кислотные аккумуляторы, а для обеспечения работы бытовых приборов используются щелочные аккумуляторы. Электроды в таких аккумуляторах могут состоять из никеля, кадмия, серебра или другого металла. Щелочные аккумуляторы по сравнению с кислотными имеют больший срок службы и широкий диапазон допустимых температур, они проще в обслуживании и не выходят из строя в случае короткого замыкания. К недостаткам можно отнести малый КПД — около 55 % (КПД кислотных аккумуляторов может достигать 80 %) и эффект памяти: если систематически не доводить до конца зарядку щелочного аккумулятора, его ёмкость постепенно снижается.

Итоги

• Можно выделить следующие основные виды источников тока:

             - механические: электрофорная машина, электрогенераторы;

             - тепловые: термогенераторы;

             - источники, использующие энергию света: солнечные батареи и 
               фотоэлементы;

             - химические: гальванические элементы и аккумуляторы.