Електричний струм, джерела електричного струму: визначення та сутність

З курсу фізики, всі знають, що під електричним струмом увазі направлений впорядкований рух частинок, що несуть заряд. Для його отримання в провіднику утворюють електричне поле. То ж необхідно для того, щоб продовжував існувати тривалий час електричний струм. Джерела електричного струму можуть бути:

статичними;

хімічними;

механічними;

напівпровідниковими.

У кожному з них виконується робота, де розділяються разнозаряженные частинки, тобто створюється електричне поле джерела струму. Розділившись, вони накопичуються на полюсах, в місцях під'єднання провідників. Коли полюси з'єднуються провідником, частинки з зарядом починають рух, і утворюється електричний струм.

Джерела електричного струму: винахід електромашини

До середини сімнадцятого століття для отримання електричного струму потрібно чимало зусиль. У той же час зростала кількість науковців, займаються цим питанням. І ось Отто фон Геріке винайшов першу в світі електричну машину. В одному з експериментів з сірої вона, розплавлена всередині порожнього кулі зі скла, затверділа і розбила скло. Геріке зміцнив куля так, щоб його можна було крутити. Обертаючи його і притискаючи шматок шкіри, він отримував іскру. Це тертя помітно полегшило короткочасне отримання електрики. Але більш важкі завдання вдалося вирішити лише при подальшому розвитку науки. Проблема полягала в те, що заряди Геріке швидко зникали. Для збільшення тривалості заряду тіла поміщали в закриті посудини (скляні пляшки), а электризуемым матеріалом виступала вода із цвяхом. Експеримент оптимізували, коли пляшку з обох сторін покривали проводять матеріалом (листами фольги, наприклад). В результаті зрозуміли, що можна було обійтися і без води.

Жаб'ячі лапки як джерело струму

Інший спосіб отримання електрики вперше відкрив Луїджі Гальвані. Будучи біологом, він працював в лабораторії, де експериментували з електрикою. Він бачив, як у мертвої жаби скорочувалася лапка при її порушенні іскрою від машини. Але одного разу той же самий ефект був досягнутий випадково, коли вчений доторкнувся до неї сталевим скальпелем. Він став шукати причини, звідки з'явився електричний струм. Джерела електричного струму, за його фінального висновку, перебували в тканинах жаби. Інший італієць Алессандро Вольто, довів неспроможність «жаб'ячої» природи виникнення струму. Було помічено, що найбільший струм виникав при додаванні міді і цинку в розчин сірчаної кислоти. Така комбінація отримала назву гальванічного або хімічного елемента. Але використання такого засобу для отримання ЕРС стало б надто витратним. Тому вчені працювали над іншим, механічним способом видобутку електричної енергії.

Як влаштований звичайний генератор?

На початку дев'ятнадцятого століття Р. Х. Ерстед виявив, що при проходженні струму через провідник виникало поле магнітного походження. А трохи пізніше Фарадей відкрив, що при перетині силових ліній цього поля на провідник наводиться ЕРС, що викликає струм. ЕРС змінюється в залежності від швидкості руху і самих провідників, а також від напруженості поля. При перетині ста мільйонів силових ліній за секунду наведена ЕРС ставала рівною одному Вольта. Зрозуміло, що ручне проведення в магнітному полі не здатне дати великий електричний струм. Джерела електричного струму цього виду набагато більш ефективно показали себе з намотуванням проводу на велику котушку або виробництва її в формі барабана. Котушку насаджували на вал між магнітом і обертається водою або парою. Такий механічний джерело струму притаманний звичайним генераторам.

Великий Тесла

Геніальний вчений з Сербії Нікола Тесла, присвятивши своє життя електрики, зробив багато відкриттів, які ми використовуємо сьогодні. Багатофазні електричні машини, асинхронні електричні двигуни, передача енергії через багатофазний змінний струм — це далеко не весь перелік винаходів великого вченого. Багато хто впевнені, що явище в Сибіру, що отримало назву Тунгуський метеорит, насправді викликав саме Тесла. Але, мабуть, одним з найбільш загадкових винаходів є трансформатор, здатний отримувати напругу до п'ятнадцяти мільйонів вольт. Незвичайним є як його пристрій, так і піддаються відомим законам розрахунки. Але в ті часи почали розвивати вакуумну техніку, в якій не було неясностей. Тому про винахід вченого на час забули. Але сьогодні, з появою теоретичної фізики, до його робіт знову відновився інтерес. Ефір визнали газом, на який поширюються всі закони газової механіки. Саме звідти черпав енергію великий Тесла. Варто відзначити, що ефірна теорія була дуже поширена в минулому серед багатьох вчених. Лише з виникненням СТО — спеціальної теорії відносності Ейнштейна, в якій він спростовував існування ефіру, - про нього забули, хоча сформульована пізніше загальна теорія не оскаржувала його як такого. Але поки зупинимося докладніше на електричному струмі і пристроях, які повсюдно поширені сьогодні.

Розвиток технічних пристроїв - джерел струму

Такі прилади служать для перетворення різної енергії в електричну. Незважаючи на те, що фізичні і хімічні способи отримання електричної енергії були відкриті давно, повсюдне поширення вони одержали лише з другої половини двадцятого століття, коли стала бурхливо розвиватися радіоелектроніка. Початкові п'ять гальванічних пар поповнилися ще 25 типами. А теоретично гальванічних пар може нараховуватися кілька тисяч, так як вільна енергія може бути реалізована на будь-якому окислителе і відновник.

Фізичні джерела струму

Фізичні джерела струму стали розвиватися трохи пізніше. Сучасна техніка пред'являла все більш жорсткі вимоги, і промислові термо - і термоемісійні генератори з успіхом справлялися з більшими завданнями. Фізичні джерела струму — це пристрої, де теплова, електромагнітна, механічна енергія радіаційного випромінювання ядерного розпаду перетворюється в електричну. Крім зазначених, до них також відносять електромашинні, МГД генератори, а також службовці для перетворення сонячного випромінювання і атомного розпаду. Щоб електричний струм у провіднику не зникав, потрібен зовнішній джерело для підтримання різниці потенціалів на кінцях провідника. Для цього служать джерела енергії, у яких є деяка електрорушійна сила для створення і підтримання різниці потенціалів. ЕРС джерела електричного струму вимірюється роботою, що виконується при перенесенні плюсового заряду по всій замкнутої ланцюга. Опір всередині джерела струму кількісно характеризує його, визначаючи величину втрат енергії при проходженні через джерело. Потужність і коефіцієнт корисної дії дорівнюють відношенню напруги за зовнішньої електричної ланцюга до ЕРС.

Хімічні джерела струму

Хімічний джерело струму в електричному колі ЕРС є пристроєм, де енергія хімічних реакцій перетворюється в електричну. В його основу входять два електроди: негативно заряджений відновник і позитивно заряджений окислювач, які контактують з електролітом. Між електродами виникає різниця потенціалів, ЕРС. У сучасних пристроях часто використовуються:

в якості відновника — свинець, кадмій, цинк та інші;

окислювача — гідроксид нікелю, оксид свинцю, марганцю та інші;

електроліту — розчини з кислот, лугів або солей.

Широко використовують сухі елементи з цинку і марганцю. Береться посудину з цинку (володіє негативним електродом). Всередині поміщають позитивний електрод з сумішшю діоксиду марганцю з вугільним або графітовим порошком, яким скорочують опір. Електролітом виступає паста з нашатирю, крохмалю та інших складових. Кислотний свинцевий акумулятор — це найчастіше вторинний хімічний джерело струму в електричної ланцюга, що володіє високою потужністю, що стабільно працює і має невисоку вартість. Акумулятори такого виду використовуються в самих різних областях. Їх часто вважають за краще стартерні батареї, які особливо цінні для автомобілів, де вони взагалі є монополістами. Інший поширений акумулятор складається із заліза (анода), гідрату оксиду нікелю (катода) і електроліту — водного розчину калію або натрію. Активний матеріал розташовують у стальних нікельованих трубках. Застосування цього виду знизилося після пожежі на заводі Едісона в 1914 році. Однак, якщо порівнювати характеристики першого і другого виду акумуляторів, то виявиться, що експлуатація залізо-нікелевого може бути в рази довше свинцево-кислотного.

Генератори постійного та змінного струму

Генераторами називаються пристрої, які спрямовані на перетворення механічної енергії в електричну. Найпростіший генератор постійного струму можна представити у вигляді рамки з провідника, яку помістили між магнітними полюсами, а кінці під'єднали до ізольованим полукольцам (колектора). Щоб пристрій працював, необхідно забезпечити обертання рамки з колектором. Тоді в ній буде індукуватися електричний струм, що змінює свій напрямок під впливом магнітних силових ліній. В зовнішній ланцюг він буде йти в єдиному напрямку. Виходить, що колектор буде випрямляти змінний струм, який виробляється рамкою. Для досягнення постійного струму колектор виготовляють з тридцяти шести і більш пластин, а провідник складається з безлічі рамок у вигляді обмотки якоря. Розглянемо, яке призначення джерела струму в електричної ланцюга. Дізнаємося, які ще джерела струму існують.

Електрична ланцюг: електричний струм, сила струму, джерело струму

Електричне коло складається з джерела струму, який разом з іншими об'єктами створює шлях для струму. А поняття ЕРС, струму і напруги розкривають протікають при цьому електромагнітні процеси. Найпростіше електричне коло складається з джерела струму (акумулятор, гальванічного елемента, генератора і так далі), енергоспоживачів (електронагрівальних приладів, електричних двигунів та іншого), а також проводів, що з'єднують затискачі джерела напруги і споживача. Електрична ланцюг має внутрішню (джерело електроенергії) і зовнішню (проводи, вимикачі, рубильники, прилади для вимірювання) частини. Вона буде працювати і мати позитивне значення тільки в тому випадку, якщо забезпечена замкнута ланцюг. Будь розрив стає причиною припинення протікання струму. Електричне коло складається з джерела струму у вигляді гальванічних елементів, електроакумуляторами, електромеханічних і термоелектричних генераторів, фотоелементів і так далі. В якості електричних приймачів виступають електричні двигуни, що перетворюють енергію в механічну, освітлювальні і нагрівальні прилади, електролізні установки і так далі. Допоміжним обладнанням є апарати, призначені для включення і виключення, вимірювальні прилади і захисні механізми. Всі компоненти поділяються на:

активні (де електричне коло складається з джерела струму ЕРС, електричних двигунів, акумуляторів і так далі);

пасивні (до яких відносяться електричні приймачі і сполучна проводка).

Ланцюг може бути також:

лінійної, де опір елемента завжди характеризується прямою лінією;

нелінійною, де опір залежить від напруги або струму.

Ось найпростіша схема, де в ланцюг включені джерело струму, ключ, електрична лампа, реостат. Незважаючи на повсюдне широке поширення подібних технічних пристроїв, особливо останнім часом люди все більше задаються питаннями про встановлення альтернативних джерел енергії.

Різноманітність джерел електричної енергії

Які джерела електричного струму ще існують? Це далеко не тільки сонце, вітер, земля і припливи. Вони вже стали так званими офіційними альтернативними джерелами електроенергії. Треба сказати, що альтернативних джерел існує ціла безліч. Вони не поширені, тому що поки не є практичними і зручними. Але, хто знає, може бути, майбутнє буде за ними. Отже, електричну енергію можливо отримувати з солоної води. У Норвегії вже створена електростанція, що застосовує цю технологію. Електричні станції можуть працювати також на паливних елементах з твердооксидным електролітом. Відомі п'єзоелектричні генератори, які отримують енергію завдяки кінетичній енергії (вже існують з такою технологією пішохідні доріжки, лежачі поліцейські, турнікети і навіть танцполи). Є і наногенераторы, які спрямовані на перетворення енергії в самому тілі людини в електричну. А що ви скажете про водорості, якими опалюють будинки, футбольних мечах, що генерують електричну енергію, велосипедах, здатних заряджати гаджети, і навіть дрібно нарізаною папері, використовуваної в якості джерела струму? Величезні перспективи, звичайно, належать освоєння вулканічної енергії. Все це є реаліями сьогодення, над якими працюють учені. Цілком можливо, що деякі з них вже зовсім скоро стануть цілком звичним явищем, подібно електрики в будинках сьогодні. А може, хто-небудь розкриє секрети вченого Ніколи Тесла, і людство зможе легко отримувати електроенергію з ефіру?