Arus listrik dalam konduktor muncul di bawah pengaruh medan listrik, memaksa partikel bermuatan bebas untuk bergerak secara terarah. Menciptakan arus partikel adalah masalah serius. Untuk membangun perangkat seperti itu yang akan mempertahankan perbedaan potensial medan untuk waktu yang lama dalam satu keadaan adalah tugas yang hanya dapat diselesaikan umat manusia pada akhir abad ke-18.
Percobaan pertama
Upaya pertama untuk "mengakumulasi listrik" untuk penelitian dan penggunaan lebih lanjut dilakukan di Belanda. Ewald Jurgen von Kleist dari Jerman dan Peter van Muschenbrook dari Belanda, yang melakukan penelitian mereka di kota Leiden, menciptakan kapasitor pertama di dunia, yang kemudian disebut "guci Leyden".
Akumulasi muatan listrik telah terjadi di bawah aksi gesekan mekanis. Dimungkinkan untuk menggunakan pelepasan melalui konduktor untuk jangka waktu tertentu yang agak singkat.
Kemenangan pikiran manusia atas zat fana seperti listrik ternyata revolusioner.
Sayangnya, debit (arus listrik yang dihasilkan oleh kapasitor)berlangsung sangat singkat sehingga tidak dapat menghasilkan arus searah. Selain itu, tegangan yang disuplai oleh kapasitor secara bertahap berkurang, yang membuat tidak mungkin untuk menerima arus kontinu.
Saya seharusnya mencari cara lain.
Sumber pertama
Eksperimen "listrik hewan" Galvani Italia adalah upaya orisinal untuk menemukan sumber arus alami di alam. Menggantung kaki katak yang dibedah pada kait logam dari kisi besi, ia menarik perhatian pada reaksi karakteristik ujung saraf.
Namun, seorang Italia lainnya, Alessandro Volta, membantah kesimpulan Galvani. Tertarik pada kemungkinan memperoleh listrik dari organisme hewan, ia melakukan serangkaian eksperimen dengan katak. Tapi kesimpulannya ternyata kebalikan dari hipotesis sebelumnya.
Volta menarik perhatian pada fakta bahwa organisme hidup hanyalah indikator pelepasan listrik. Ketika arus lewat, otot-otot kaki berkontraksi, menunjukkan perbedaan potensial. Sumber medan listrik adalah kontak logam yang berbeda. Semakin jauh mereka berada dalam serangkaian elemen kimia, semakin besar efeknya.
Pelat logam yang berbeda, diletakkan dengan cakram kertas yang direndam dalam larutan elektrolit, menciptakan perbedaan potensial yang diperlukan untuk waktu yang lama. Dan biarlah rendah (1,1 V), tetapi arus listrik dapat diselidiki untuk waktu yang lama. Hal utama adalah bahwa voltase tetap tidak berubah untuk waktu yang lama.
Apa yang terjadi
Mengapa sumber yang disebut "sel galvanik" menyebabkan efek seperti itu?
Dua elektroda logam yang ditempatkan dalam dielektrik memainkan peran yang berbeda. Yang satu memasok elektron, yang lain menerimanya. Proses reaksi redoks menyebabkan munculnya kelebihan elektron pada satu elektroda, yang disebut kutub negatif, dan kekurangan pada yang kedua, kami akan menyatakannya sebagai kutub positif sumber.
Dalam sel galvanik yang paling sederhana, reaksi oksidatif terjadi pada satu elektroda, dan reaksi reduksi terjadi di elektroda lainnya. Elektron datang ke elektroda dari luar sirkuit. Elektrolit adalah konduktor arus ion di dalam sumber. Kekuatan resistensi mengatur durasi proses.
Elemen tembaga-seng
Prinsip operasi sel galvanik menarik untuk dipertimbangkan dengan menggunakan contoh sel galvanik tembaga-seng, yang aksinya disebabkan oleh energi seng dan tembaga sulfat. Dalam sumber ini, pelat tembaga ditempatkan dalam larutan tembaga sulfat, dan elektroda seng direndam dalam larutan seng sulfat. Solusi dipisahkan oleh spacer berpori untuk mencegah pencampuran, tetapi harus dalam kontak.
Jika rangkaian ditutup, lapisan permukaan seng teroksidasi. Dalam proses interaksi dengan cairan, atom seng, yang berubah menjadi ion, muncul dalam larutan. Elektron dilepaskan pada elektroda, yang dapat mengambil bagian dalam pembangkitan arus.
Sampai ke elektroda tembaga, elektron mengambil bagian dalam reaksi reduksi. Darilarutan, ion tembaga memasuki lapisan permukaan, dalam proses reduksi mereka berubah menjadi atom tembaga, mengendap di pelat tembaga.
Untuk meringkas apa yang terjadi: proses operasi sel galvanik disertai dengan transfer elektron dari zat pereduksi ke zat pengoksidasi di sepanjang bagian luar rangkaian. Reaksi terjadi pada kedua elektroda. Arus ion mengalir di dalam sumber.
Kesulitan penggunaan
Pada prinsipnya, setiap reaksi redoks yang mungkin dapat digunakan dalam baterai. Tetapi tidak banyak zat yang mampu bekerja dalam unsur-unsur yang berharga secara teknis. Selain itu, banyak reaksi membutuhkan zat yang mahal.
Baterai modern memiliki struktur yang lebih sederhana. Dua elektroda ditempatkan dalam satu elektrolit mengisi bejana - wadah baterai. Fitur desain seperti itu menyederhanakan struktur dan mengurangi biaya baterai.
Sel galvanik mana pun mampu menghasilkan arus searah.
Hambatan arus tidak memungkinkan semua ion berada di elektroda secara bersamaan, sehingga elemen bekerja untuk waktu yang lama. Reaksi kimia pembentukan ion cepat atau lambat akan berhenti, unsurnya akan terlepas.
Resistensi internal dari sumber arus penting.
Sedikit tentang resistensi
Penggunaan arus listrik, tidak diragukan lagi, membawa kemajuan ilmiah dan teknologi ke tingkat yang baru, memberinya dorongan besar. Tapi kekuatan perlawanan terhadap aliran arus menghalangi perkembangan tersebut.
Di satu sisi, arus listrik memiliki sifat tak ternilai yang digunakan dalam kehidupan dan teknologi sehari-hari, di sisi lain, ada pertentangan yang signifikan. Fisika, sebagai ilmu alam, mencoba untuk mencapai keseimbangan, untuk membawa keadaan ini ke dalam garis.
Hambatan arus muncul karena interaksi partikel bermuatan listrik dengan zat yang dilaluinya. Tidak mungkin untuk mengecualikan proses ini dalam kondisi suhu normal.
Perlawanan
Hambatan dalam dari sumber arus dan hambatan dari bagian luar rangkaian memiliki sifat yang sedikit berbeda, tetapi sama dalam proses ini adalah pekerjaan yang dilakukan untuk memindahkan muatan.
Pekerjaan itu sendiri hanya bergantung pada sifat-sifat sumber dan isinya: kualitas elektroda dan elektrolit, serta untuk bagian luar sirkuit, yang resistansinya tergantung pada parameter geometrik dan kimia karakteristik bahan. Misalnya, resistansi kawat logam meningkat dengan bertambahnya panjangnya dan berkurang dengan perluasan luas penampang. Saat memecahkan masalah tentang cara mengurangi hambatan, fisika merekomendasikan penggunaan bahan khusus.
Kerja saat ini
Sesuai dengan hukum Joule-Lenz, jumlah panas yang dilepaskan dalam konduktor sebanding dengan resistansi. Jika kita menyatakan jumlah panas sebagai Qint., kekuatan arus I, waktu alirannya t, maka kita mendapatkan:
Qint=I2 · r t,
di mana r adalah resistansi internal sumbersaat ini.
Di seluruh rangkaian, termasuk bagian dalam dan luarnya, jumlah total panas akan dilepaskan, rumusnya adalah:
Qpenuh=I2 ·r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Telah diketahui bagaimana resistansi dilambangkan dalam fisika: sirkuit eksternal (semua elemen kecuali sumbernya) memiliki resistansi R.
Hukum Ohm untuk rangkaian lengkap
Perhatikan bahwa pekerjaan utama dilakukan oleh kekuatan eksternal di dalam sumber arus. Nilainya sama dengan produk dari muatan yang dibawa oleh medan dan gaya gerak listrik sumber:
q E=I2 (r + R) t.
menyadari bahwa muatan sama dengan produk dari kekuatan saat ini dan waktu alirannya, kita memiliki:
E=I (r + R)
Menurut hubungan sebab-akibat, hukum Ohm memiliki bentuk:
I=E: (r + R)
Arus dalam rangkaian tertutup berbanding lurus dengan EMF sumber arus dan berbanding terbalik dengan hambatan total (total) rangkaian.
Berdasarkan pola ini, adalah mungkin untuk menentukan resistansi internal dari sumber arus.
Kapasitas debit sumber
Kapasitas debit juga dapat dikaitkan dengan karakteristik utama sumber. Besarnya arus listrik maksimum yang dapat diperoleh saat beroperasi pada kondisi tertentu tergantung pada kekuatan arus pelepasan.
Dalam kasus ideal, ketika perkiraan tertentu dibuat, kapasitas debit dapat dianggap konstan.
KMisalnya, baterai standar dengan beda potensial 1,5 V memiliki kapasitas pelepasan 0,5 Ah. Jika debit arus 100mA, maka bekerja selama 5 jam.
Metode pengisian baterai
Eksploitasi baterai menyebabkan pelepasannya. Pemulihan baterai, pengisian sel kecil dilakukan menggunakan arus yang nilai kekuatannya tidak melebihi sepersepuluh dari kapasitas sumber.
Metode pengisian berikut tersedia:
- menggunakan arus konstan untuk waktu tertentu (sekitar 16 jam kapasitas baterai 0,1 saat ini);
- pengisian dengan arus step-down ke nilai beda potensial yang telah ditentukan;
- penggunaan arus tidak seimbang;
- aplikasi pengisian dan pengosongan pulsa pendek berturut-turut, di mana waktu yang pertama melebihi waktu yang kedua.
Kerja Praktek
Tugas diusulkan: untuk menentukan resistansi internal sumber arus dan EMF.
Untuk melakukannya, Anda perlu menyediakan sumber arus, ammeter, voltmeter, rheostat penggeser, kunci, satu set konduktor.
Menggunakan hukum Ohm untuk rangkaian tertutup akan menentukan resistansi internal dari sumber arus. Untuk melakukan ini, Anda perlu mengetahui EMF-nya, nilai resistansi rheostat.
Rumus perhitungan untuk hambatan arus di bagian luar rangkaian dapat ditentukan dari hukum Ohm untuk bagian rangkaian:
I=U: R,
di mana I adalah kekuatan arus di bagian luar rangkaian, diukur dengan ammeter; U - tegangan pada eksternalperlawanan.
Untuk meningkatkan akurasi, pengukuran dilakukan setidaknya 5 kali. Untuk apa? Tegangan, hambatan, arus (atau lebih tepatnya, kekuatan arus) yang diukur selama percobaan digunakan di bawah ini.
Untuk menentukan EMF dari sumber arus, kami menggunakan fakta bahwa tegangan pada terminalnya dengan kunci terbuka hampir sama dengan EMF.
Mari kita merakit rangkaian dari baterai, rheostat, ammeter, kunci yang dihubungkan secara seri. Kami menghubungkan voltmeter ke terminal sumber arus. Setelah membuka kunci, kami membaca.
Hambatan dalam, yang rumusnya diperoleh dari hukum Ohm untuk rangkaian lengkap, ditentukan dengan perhitungan matematis:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Pengukuran menunjukkan bahwa resistansi internal jauh lebih kecil daripada resistansi eksternal.
Fungsi praktis baterai isi ulang dan baterai banyak digunakan. Keamanan lingkungan yang tak terbantahkan dari motor listrik tidak diragukan lagi, tetapi menciptakan baterai yang luas dan ergonomis adalah masalah fisika modern. Solusinya akan membawa babak baru dalam perkembangan teknologi otomotif.
Baterai kecil, ringan, berkapasitas tinggi juga penting dalam perangkat elektronik seluler. Jumlah energi yang digunakan di dalamnya berhubungan langsung dengan kinerja perangkat.
