Электрический ток, источники электрического тока: определение и сущность

Из курса физики все знают, что под электрическим током подразумевают направленное упорядоченное движение частиц, несущих заряд. Для его получения в проводнике образовывают электрическое поле. То же необходимо для того, чтобы продолжал существовать длительное время электрический ток.

Источники электрического тока могут быть:

• статическими;
• химическими;
• механическими;
• полупроводниковыми.

В каждом из них выполняется работа, где разделяются разнозаряженные частицы, то есть создается электрическое поле источника тока. Разделившись, они накапливаются на полюсах, в местах подсоединения проводников. Когда полюсы соединяются проводником, частицы с зарядом начинают движение, и образуется электрический ток.

Видео: 33. Электрический ток. Источники электрического тока

Источники электрического тока: изобретение электромашины

До середины семнадцатого века для получения электрического тока требовалось немало усилий. В то же время росло число ученых, занимающихся этим вопросом. И вот Отто фон Герике изобрел первую в мире электрическую машину. В одном из экспериментов с серой она, расплавленная внутри полого шара из стекла, затвердела и разбила стекло. Герике укрепил шар так, чтобы его можно было крутить. Вращая его и прижимая кусок кожи, он получал искру. Это трение заметно облегчило кратковременное получение электричества. Но более трудные задачи удалось решить лишь при дальнейшем развитии науки.

Проблема состояла в том, что заряды Герике быстро пропадали. Для увеличения длительности заряда тела помещали в закрытые сосуды (стеклянные бутылки), а электризуемым материалом выступала вода с гвоздем. Эксперимент оптимизировали, когда бутылку с обеих сторон покрывали проводящим материалом (листами фольги, например). В результате поняли, что можно было обойтись и без воды.

Лягушачьи лапки как источник тока

Другой способ получения электричества впервые открыл Луиджи Гальвани. Будучи биологом, он работал в лаборатории, где экспериментировали с электричеством. Он видел, как у мертвой лягушки сокращалась лапка при ее возбуждении искрой от машины. Но однажды тот же самый эффект был достигнут случайно, когда ученый дотронулся до нее стальным скальпелем.

Он стал искать причины, откуда появился электрический ток. Источники электрического тока, по его финальному заключению, находились в тканях лягушки.

Другой итальянец, Алессандро Вольто, доказал несостоятельность «лягушачьей» природы возникновения тока. Было замечено, что самый большой ток возникал при добавлении меди и цинка в раствор серной кислоты. Такая комбинация получила название гальванического или химического элемента.

Но использование такого средства для получения ЭДС стало бы слишком затратным. Поэтому ученые работали над другим, механическим, способом добычи электрической энергии.

Как устроен обычный генератор?

В начале девятнадцатого века Г.Х. Эрстед обнаружил, что при прохождении тока через проводник возникало поле магнитного происхождения. А чуть позже Фарадей открыл, что при пересечении силовых линий этого поля в проводник наводится ЭДС, которая вызывает ток. ЭДС меняется в зависимости от скорости движения и самих проводников, а также от напряженности поля. При пересечении ста миллионов силовых линий за секунду наведенная ЭДС становилась равной одному Вольту. Понятно, что ручное проведение в магнитном поле не способно дать большой электрический ток. Источники электрического тока этого вида намного более эффективно показали себя с намоткой провода на большую катушку или производства ее в форме барабана. Катушку насаживали на вал между магнитом и вращаемой водой или паром. Такой механический источник тока присущ обычным генераторам.

Великий Тесла

Гениальный ученый из Сербии Никола Тесла, посвятив свою жизнь электричеству, сделал много открытий, которые мы используем и сегодня. Многофазные электрические машины, асинхронные электрические моторы, передача энергии через многофазный переменный ток — это далеко не весь перечень изобретений великого ученого.

Многие уверены, что явление в Сибири, получившее название Тунгусский метеорит, на самом деле вызвал именно Тесла. Но, наверное, одним из самых загадочных изобретений является трансформатор, способный получать напряжение до пятнадцати миллионов вольт. Необычным является как его устройство, так и неподдающиеся известным законам расчеты. Но в те времена начали развивать вакуумную технику, в которой не было неясностей. Поэтому об изобретении ученого на время забыли.

Но сегодня, с появлением теоретической физики, к его работам снова возобновился интерес. Эфир признали газом, на который распространяются все законы газовой механики. Именно оттуда черпал энергию великий Тесла. Стоит отметить, что эфирная теория была очень распространена в прошлом среди многих ученых. Лишь с возникновением СТО — специальной теории относительности Эйнштейна, в которой он опровергал существование эфира, - о нем забыли, хотя сформулированная позже общая теория не оспаривала его как такового.

Но пока остановимся подробнее на электрическом токе и устройствах, которые повсеместно распространены сегодня.

Развитие технических устройств - источников тока

Такие приборы служат для преобразования разной энергии в электрическую. Несмотря на то что физические и химические способы получения электрической энергии были открыты давно, повсеместное распространение они получили лишь со второй половины двадцатого века, когда стала бурно развиваться радиоэлектроника. Первоначальные пять гальванических пар пополнились еще 25 типами. А теоретически гальванических пар может насчитываться несколько тысяч, так как свободная энергия может быть реализована на любом окислителе и восстановителе.

Физические источники тока

Физические источники тока стали развиваться чуть позже. Современная техника предъявляла все более жесткие требования, и промышленные термо- и термоэмиссионные генераторы с успехом справлялись с возраставшими задачами. Физические источники тока — это устройства, где тепловая, электромагнитная, механическая и энергия радиационного излучения и ядерного распада преобразуется в электрическую. Кроме вышеназванных, к ним также причисляют электромашинные, МГД генераторы, а также служащие для преобразования солнечного излучения и атомного распада.

Чтобы электрический ток в проводнике не исчезал, нужен внешний источник для поддержания разности потенциалов на концах проводника. Для этого служат источники энергии, у которых имеется некоторая электродвижущая сила для создания и поддержания разности потенциалов. ЭДС источника электрического тока измеряется работой, выполняемой при переносе плюсового заряда по всей замкнутой цепи.

Сопротивление внутри источника тока количественно характеризует его, определяя величину потерь энергии при прохождении через источник.

Мощность и коэффициент полезного действия равны отношению напряжения во внешней электрической цепи к ЭДС.

Химические источники тока

Химический источник тока в электрической цепи ЭДС является устройством, где энергия химических реакций преобразуется в электрическую.

В его основу входят два электрода: отрицательно заряженный восстановитель и положительно заряженный окислитель, которые контактируют с электролитом. Между электродами возникает разность потенциалов, ЭДС.

В современных устройствах часто используются:

• в качестве восстановителя — свинец, кадмий, цинк и другие;
• окислителя — гидроксид никеля, оксид свинца, марганца и другие;
• электролита — растворы из кислот, щелочей или солей.

Широко используют сухие элементы из цинка и марганца. Берется сосуд из цинка (обладающий отрицательным электродом). Внутри помещают положительный электрод со смесью диоксида марганца с угольным или графитовым порошком, которым сокращают сопротивление. Электролитом выступает паста из нашатыря, крахмала и других составляющих.

Кислотный свинцовый аккумулятор — это чаще всего вторичный химический источник тока в электрической цепи, обладающий высокой мощностью, стабильно работающий и имеющий невысокую стоимость. Аккумуляторы подобного вида используются в самых разных областях. Их часто предпочитают за стартерные батареи, которые особенно ценны для автомобилей, где они вообще являются монополистами.

Другой распространенный аккумулятор состоит из железа (анода), гидрата оксида никеля (катода) и электролита — водного раствора калия или натрия. Активный материал располагают в стальных никелированных трубках.

Применение этого вида снизилось после пожара на заводе Эдисона в 1914 году. Однако, если сравнивать характеристики первого и второго вида аккумуляторов, то окажется, что эксплуатация железо-никелевого может быть в разы дольше свинцово-кислотного.

Генераторы постоянного и переменного тока

Генераторами называются устройства, которые направлены на преобразование механической энергии в электрическую.

Самый простой генератор постоянного тока можно представить в виде рамки из проводника, которую поместили между магнитными полюсами, а концы подсоединили к изолированным полукольцам (коллектору). Чтобы устройство работало, необходимо обеспечить вращение рамки с коллектором. Тогда в ней будет индуцироваться электрический ток, изменяющий свое направление под воздействием магнитных силовых линий. Во внешнюю цепь он будет идти в единственном направлении. Получается, что коллектор будет выпрямлять переменный ток, который вырабатывается рамкой. Для достижения постоянного тока коллектор изготавливают из тридцати шести и более пластин, а проводник состоит из множества рамок в виде обмотки якоря.

Рассмотрим, каково назначение источника тока в электрической цепи. Узнаем, какие еще источники тока существуют.

Электрическая цепь: электрический ток, сила тока, источник тока

Видео: Вопрос №5 § 32. Электрический ток. Источники электрического тока - Физика 8 класс (Перышкин)

Электрическая цепь состоит из источника тока, который вместе с другими объектами создает путь для тока. А понятия ЭДС, тока и напряжения раскрывают протекающие при этом электромагнитные процессы.

Самая простая электрическая цепь состоит из источника тока (батареи, гальванического элемента, генератора и так далее), энергопотребителей (электронагревательных приборов, электрических двигателей и другого), а также проводов, соединяющих зажимы источника напряжения и потребителя.

Электрическая цепь имеет внутреннюю (источник электроэнергии) и внешнюю (провода, выключатели и рубильники, приборы для измерения) части.

Она будет работать и иметь положительное значение только в том случае, если обеспечена замкнутая цепь. Любой разрыв становится причиной прекращения протекания тока.

Электрическая цепь состоит из источника тока в виде гальванических элементов, электроаккумуляторов, электромеханических и термоэлектрических генераторов, фотоэлементов и так далее.

В качестве электрических приемников выступают электрические двигатели, которые преобразовывают энергию в механическую, осветительные и нагревательные приборы, установки электролизные и так далее.

Вспомогательным оборудованием являются аппараты, служащие для включения и выключения, измерительные приборы и защитные механизмы.

Все компоненты делятся на:

• активные (где электрическая цепь состоит из источника тока ЭДС, электрических двигателей, аккумуляторов и так далее);
• пассивные (к которым относятся электрические приемники и соединительная проводка).

Цепь может быть также:

• линейной, где сопротивление элемента всегда характеризуется прямой линией;
• нелинейной, где сопротивление зависит от напряжения или тока.

Вот простейшая схема, где в цепь включены источник тока, ключ, электрическая лампа, реостат.

Несмотря на повсеместное широкое распространение подобных технических устройств, особенно в последнее время люди все больше задаются вопросами об установке альтернативных источников энергии.

Разнообразие источников электрической энергии

Какие источники электрического тока еще существуют? Это далеко не только солнце, ветер, земля и приливы. Они уже стали так называемыми официальными альтернативными источниками электроэнергии.

Надо сказать, что альтернативных источников существует целое множество. Они не распространены, потому что пока не являются практичными и удобными. Но, кто знает, может быть, будущее будет как раз за ними.

Видео: 14. Автомобиль может поразить электрическим током. Это важно знать

Итак, электрическую энергию возможно получать из соленой воды. В Норвегии уже создана электростанция, применяющая эту технологию.

Электрические станции могут работать также на топливных элементах с твердооксидным электролитом.

Известны пьезоэлектрические генераторы, получающие энергию благодаря кинетической энергии (уже существуют с такой технологией пешеходные дорожки, лежачие полицейские, турникеты и даже танцполы).

Есть и наногенераторы, которые направлены на преобразование энергии в самом теле человека в электрическую.

А что вы скажете о водорослях, которыми отапливают дома, футбольных мечах, генерирующих электрическую энергию, велосипедах, способных заряжать гаджеты, и даже мелко нарезанной бумаге, используемой в качестве источника тока?

Огромные перспективы, конечно, принадлежат освоению вулканической энергии.

Все это является реалиями сегодняшнего дня, над которыми трудятся ученые. Вполне возможно, что некоторые из них уже совсем скоро станут совершенно привычным явлением, подобно электричеству в домах сегодня.

А может, кто-нибудь раскроет секреты ученого Николы Тесла, и человечество сможет легко получать электроэнергию из эфира?