Что происходит в источнике тока

Виды источников тока

Источники тока используют для длительного поддержания электрического поля и получения электрического тока. Все они могут иметь различные принципы работы, внешний вид, конструкцию и размеры.

Источники тока – это устройства:
— способные создавать и поддерживать электрический ток;
— в них сторонние силы совершают работу по перемещению зарядов против электрических сил;
— а механическая, внутренняя, химическая или иная энергия превращается в электрическую.

Какие виды источников тока существуют

Энергия не может возникать из ничего. Об этом говорит закон сохранения энергии. Во всех без исключения источниках, электроэнергия создается за счет других ее видов.

В зависимости от того, какая именно энергия превращается в электрическую, выделяют такие виды (рис. 1) источников:

1. механические – генераторы,
2. тепловые – термопары, термогенераторы,
3. световые (фотоэлектрические) – солнечные батареи и фотоэлементы,
4. химические – гальванические элементы и аккумуляторы.

Рис. 1. В зависимости от видов энергии, преобразуемой в электрическую, источники разбивают на группы

Рассмотрим подробнее эти виды.

Механические источники

Электрофорная машина – один из механических источников тока (рис. 2), применяемых более столетия.

С помощью этого устройства механическая энергия вращающихся дисков преобразовывается в электрическую энергию. При этом, происходит разделение положительных и отрицательных зарядов.

Рис. 2. Механическую энергию в электрическую можно преобразовать с помощью электрофорной машины

Превращение энергии вращения (механической) в энергию электрического тока происходит в различных генераторах.

В конструкции любого из них присутствуют элементы, создающие магнитное поле в пространстве вокруг проводника.

Например, электрический генератор для велосипеда (рис. 3), включает в себя кольцевой магнит и проволочную обмотку, расположенную рядом с ним.

Рис. 3. Генератор – источник тока для велосипеда

Во время движения велосипеда магнит, расположенный внутри, вращается. Изменяющееся магнитное поле заставляет двигаться электроны по обмотке. Если к ее выводам подключить лампочку, она загорится, так как по цепи потечет электрический ток.

Мускульной силы человека хватает, чтобы зажечь лампочку для карманного фонаря. Однако, ее недостаточно, чтобы вырабатывать больше электроэнергии. Например, чтобы нагреть утюг и одновременно с этим зажечь несколько бытовых ламп накаливания.

Поэтому, для бытовых нужд и нужд промышленности в электрическую энергию превращают энергию сгорающего топлива, а не энергию сокращения мускул.

На тепловых, атомных и гидроэлектростанциях установлены мощные генераторы. Они могут отдавать потребителям токи в тысячи Ампер. А масса некоторых достигает десятков тонн.

На таких электростанциях превращение энергии происходит в несколько этапов. Сначала энергия горящего топлива превращается во внутреннюю энергию горячей воды, а затем — в механическую и, в конечном итоге, в электрическую.

Существуют, так же, устройства, предназначенные для бытового использования. Например, небольшие генераторы, массой в несколько килограммов, оснащенные бензиновым мотором (рис. 4).

Рис. 4. Бытовой электрогенератор с бензиновым двигателем

Они, так же, преобразуют внутреннюю энергию топлива в механическую энергию вращения вала двигателя, который соединяется с генератором. А затем энергия вращения с помощью генератора превращается в электрическую энергию.

Тепловые источники

К тепловым относят различные термоэлементы. Термоэлемент — это прибор в котором, тепловая энергия, получаемая от нагревателя, превращается сначала во внутреннюю энергию вещества, а затем — в электрическую энергию.

Один из таких элементов называют термопарой (рис. 5). Термопара состоит из двух различных металлических проволок, спаянных вместе. Если нагреть место их соприкосновения, то на свободных концах проволочек можно обнаружить электрическое напряжение (ссылка).

Рис. 5. Две проволоки из различных металлов могут создавать ток в цепи при нагревании

Если свободные концы термопары присоединить к потребителю тока, то под действием тепловой энергии по замкнутой цепи побегут электроны, то есть, возникнет электрический ток.

Таким образом, эта незамысловатая конструкция преобразовывает внутреннюю энергию нагреваемых металлов в электрическую энергию.

Фотоэлектрические источники

Атомы некоторых веществ под действием видимого света способны терять электроны. Например, селен, кремний, оксиды цинка, меди, висмута. На основе этих и, некоторых других веществ создают источники, генерирующие электрический ток под действием (рис. 6) света.

Рис. 6. Некоторые оксиды, а, так же, чистые вещества, при освещении видимым светом могут отдавать электроны

Эти источники используют фотоэлектрический эффект (сокращенно — фотоэффект) (ссылка). В них энергия света преобразуется в электрическую.

Существует два вида фотоэффекта – внутренний, который используется в полупроводниках (ссылка) и внешний, используемый в вакуумных фотоэлементах на основе различных металлов.

Вакуумные фотоэлементы

В вакуумном фотоэлементе свет попадает на пластинку металла и выбивает электроны с ее поверхности. Такую пластинку называют катодом.

Выбитые электроны улавливаются другим электродом. Его называют анодом и обычно выполняют в виде металлической сетки.

Оба электрода находятся в стеклянном баллоне из которого удалили воздух. Дело в том, что молекулы воздуха могли бы помешать движению электронов, вылетевших из пластинки. Чтобы этого не происходило, воздух из баллона откачивают (рис. 7).

Рис. 7. Металлический катод и сетчатый анод в прозрачном стеклянном баллоне образуют вакуумный фотоэлемент

Таким образом, под воздействием света между катодом и анодом в вакууме возникает поток заряженных частиц. Они движутся направлено от катода к аноду. Значит, в фотоэлементе под действием света возникает электрический ток. Так световая энергия переходит в электрическую.

Солнечные батареи

Еще одним источником тока, в котором ток возникает за счет световой энергии, являются, так называемые, солнечные батареи. Их изготавливают из полупроводниковых пластин (рис. 8).

Рис. 8. Полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрическую, поэтому, из них изготавливают солнечные батареи

Падающий свет из полупроводника электроны не выбивает. А вызывает переход электронов в такое состояние, в котором у них появляется дополнительная энергия и они могут свободно передвигаться по полупроводнику, создавая электрический ток.

Химические источники

Если опустить два кусочка различных металлов (например, железа и меди) в емкость с проводящей жидкостью, можно получить химический источник тока.

В качестве проводящей жидкости можно использовать, например, лимонный сок. Воткнув в лимон два гвоздика из различных металлов (рис. 9) и подключив к ним гальванометр, можно обнаружить, что через гальванометр потечет электрический ток.

Рис. 9. Лимон и два кусочка различных металлов помогут создать простой источник тока

Такую конструкцию можно считать простейшим химическим источником тока. Гвоздики в нем — это электроды, а лимонная кислота – электролит.

Примечания:

1. Проводящие жидкости называют электролитами.
2. Существует, так называемый ряд электрохимических напряженый металлов. Наибольшее напряжение дают источники, построенные с применением металлов, расположенных в различных концах данного ряда.

Самым первым химических источником тока был Вольтов столб.

Алессандро Вольта и его первый гальванический элемент

Дело в том, что до исследований, проведенных А. Вольта, способ получить электрический ток был известен. Однако, эксперименты с электричеством, проводимые в лабораториях другими учеными, создавали ток всего на доли секунды. Источников, способных создавать ток, длившийся хотя бы единицы секунд, не существовало.

В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первый прибор, создававший электрический ток продолжительное время. Этот прибор в честь создателя называют Вольтовым столбом.

Ученый определил, что для получения гальванического (электрического) эффекта нужны два разных метала и проводящая жидкость.

Он длительное время потратил на эксперименты, использовал различные металлы и исследовал их свойства.

В процессе работы Вольта сделал вертикальный столбик, укладывая поочередно медные монеты и цинковые пластинки. Между металлами он укладывал кожаные кружочки, вымоченные в рассоле (рис. 10).

Рис. 10. Конструкция Вольтова столба

Так он создал первую в мире электрическую батарею. Принцип ее работы — превращение химической энергии в электрическую.

Соединяя проволокой два конца собранного столбика, он наблюдал ее нагревание и так определял действие электрического тока.

А чтобы сравнить, больше, или меньше электричества вырабатывал тот или иной столбик, Алессандро пользовался своим языком. Попросту, касался языком выводов созданного им гальванического элемента.

Такой столбик, при высоте, равной половине метра, вырабатывал напряжение, которое было довольно чувствительным.

В марте 1800 года Вольта направил письмо в Лондонское Королевское общество, в котором подробно описал результаты своей работы. А уже в июне оно было признано сенсационным среди ученых того времени.

Наполеон пригласил А. Вольта в Париж и лично присутствовал во время доклада и опыта, демонстрируемого им, а после наградил изобретателя.

Это изобретение сделало автора знаменитым. А благодаря ему в скором времени были совершены другие открытия в области физики.

Какие открытия были совершены благодаря столбу Вольта

В том же году с помощью Вольтова столба вода была разложена на водород и кислород. Это сделали Карлайл и Николсон.

А спустя три года, в 1803 году, Василий Петров создал самый большой в мире столб. Он выдавал напряжение 1700 вольт и содержал более 4000 медных и цинковых кругов. Этот столб помог получить электрическую дугу, которая применяется в электросварке металлов.

После работ Петрова в России стали применять электрические запалы для взрывчатых веществ.

А спустя еще четыре года, в 1807 году, ученым по фамилии Дэви был открыт металлический калий.

Благодаря способности Вольтова столба создавать электрический ток продолжительное время – в течение нескольких часов, началось широкое применение электричества.

По истечении этого времени, на металлах появлялся окисел, препятствующий выработке электрического тока. Нужно было разбирать конструкцию и протирать металлы, избавляя их от этого окисла. А кусочки кожи необходимо было время от времени смачивать рассолом.

Сухой гальванический элемент — батарейка

Значительно позже открытия Вольта, во второй половине 1880-х годов, инженером из Германии Карлом Гасснером был создан сухой гальванический элемент.

Сухим элемент был назван потому, что в качестве электролита в нем использовалась не жидкость, а гелеобразный состав. Такие элементы можно наклонять и даже переворачивать, не боясь пролить электролит. Поэтому, они значительно удобнее жидкостных.

Внутри элемента происходят химические превращения. Эти превращения являются экзотермическими, так как протекают с выделением энергии. Затем внутренняя энергия источника переходит в электрическую.

К примеру, в современном сухом гальваническом элементе (рис. 11), цинк реагирует с хлоридом аммония и при этом получает отрицательный электрический заряд.

Рис. 11. Сухой гальванический элемент, в быту называемый батарейкой

Протекая, такие реакции вызывают расходование некоторых частей источника. Например, цинкового электрода.

Из-за этого, в гальванических элементах химические реакции будут необратимыми. Так как, спустя некоторое время, для нормального протекания химических превращений, не будет хватать ресурсов.

Когда скорость химических реакций замедляется, элемент перестает вырабатывать электрический ток. В таких случаях говорят, что элемент разрядился – «села батарейка».

Отработанные гальванические элементы нужно утилизировать. Это позволит использовать вновь некоторые их компоненты, а не загрязнять окружающую среду.

Мировая промышленность выпускает ассортимент стандартизированных элементов питания (рис. 12).

Рис. 12. Виды сухих гальванических элементов, выпускаемых промышленностью

Например, тип АА – пальчиковая батарейка, или ААА – тонкая пальчиковая. Так же, существуют типоразмеры, обозначаемые C D и N. Они имеют ЭДС 1,5 Вольта.

Существуют другие и типы, например, «квадратная» батарейка 3R12, имеющая ЭДС 4,5 Вольт и используемая в карманных фонариках. А, так же, небольшая батарейка вида pp3 с ЭДС 9 Вольт, часто называемая «Крона» или «Корунд».

Гальванические элементы на электрических схемах обозначают специальными значками.

Аккумуляторы и их виды

Устройство аккумулятора внешне напоминает устройство гальванического элемента. Присутствует корпус, в котором находятся две пластины из разных металлов. Одна служит положительным электродом, а другая – отрицательным. Эти пластины помещены в электролит (рис. 13).

Рис. 13. Пластины, помещенные в электролит, образуют аккумулятор

Однако, аккумуляторы, в отличие от гальванических элементов, являются многоразовыми устройствами.

Свое название они получили из-за того, что могут аккумулировать, то есть, накапливать электрическую энергию. А затем, отдавать накопленную энергию потребителям.

Химические реакции в аккумуляторах могут протекать в двух направлениях (зарядка — разрядка).

Перед использованием аккумулятор необходимо зарядить. Для этого используют специальные источники тока, которые называют зарядными устройствами. Они пропускают через аккумулятор ток зарядки.

Под воздействием этого тока в аккумуляторе протекают химические реакции, во время которых он накапливает электрические заряды. Один электрод заряжается положительно, а другой – отрицательно.

После, подключив к заряженному аккумулятору потребитель тока, можно использовать накопленную им энергию.

Называть аккумуляторы принято:
— по видам используемых жидкостей — кислотные, щелочные.
— либо по названию металлов, используемых в качестве электродов — свинцовые, железоникелевые, литиевые, и т. п.

В качестве пластин — электродов используют металлы: свинец, железо, литий, титан, кобальт, кадмий, никель, цинк, серебро, алюминий.

Существуют аккумуляторы с гелеобразным электролитом. Такие аккумуляторы можно наклонять в различные стороны, не боясь утечки электролита. Например, литий-полимерные батареи, используемые в мобильных телефонах.

Примечание: Чем больше геометрические размеры электродов источника, тем большую силу тока в полезной нагрузке он может обеспечить. Поэтому, аккумуляторы для автомобилей с ЭДС 12 и 24 Вольта, рассчитанные на большие токи нагрузки, имеют массу от 10 килограммов и большую.

Аналогия между источником тока и водяным насосом

Аналогию с потоком жидкости часто применяют по отношению к электрическому току.

Независимо от того, какой вид энергии превращается в электрическую, принцип работы источника тока чем-то напоминает работу водяного насоса. Различия в том, что источник тока перекачивает заряды, а не жидкость.

Рассмотрим замкнутый контур, состоящий из трубы и водяного насоса, который способен привести в движение воду, так, чтобы она начала циркулировать по трубе (рис. 14а).

Рис. 14. Аналогия между жидкостным насосом и источником электрического тока

Частицы воды будут двигаться и, ток воды будет циркулировать за счет разности давлений, которую будет создавать и поддерживать насос.

На рисунке 14 кружком с треугольником обозначен насос. Направление движения воды отмечено стрелкой. По левую сторону от насоса давление обозначено \(\large P_\), по правую сторону — \(\large P_\) (рис. 14а).

С помощью неравенства

отмечено, что давление слева от насоса будет больше давления справа.

Подобно движению частиц воды, заряды придут в движение и электрический ток будет циркулировать по замкнутой цепи за счет разности потенциалов, которую будет создавать включенная в эту цепь батарейка (рис. 14б) — источник тока.

Сила, перемещающая заряды во внешней цепи, появляется благодаря тому, что источник тока создает разность потенциалов на своих выводах и электрическое поле.

Слева и справа от источника отмечены потенциалы \(\large \varphi_\) и \(\large \varphi_\). При чем, потенциал слева от источника больше потенциала справа.

Это отмечено неравенством

\[\large \varphi_ > \varphi_\]

Обратите внимание: источник тока (сторонние силы) заставляет двигаться электроны – отрицательно заряженные частицы, от точки с меньшим потенциалом, в точку с потенциалом большим, а электрический ток направлен в противоположную сторону — от «+» к «-».

Разность потенциалов так же называют электрическим напряжением.

\[\large \Delta \varphi = \varphi_ — \varphi_ = U \]

\(\large \varphi \left( B \right) \) – потенциал, измеряется в Вольтах;

\(\large U \left( B \right) \) – напряжение, измеряется в Вольтах;

Что происходит в источнике тока

Азбука физики

Научные игрушки

Простые опыты

Этюды об ученых

Решение задач

Презентации

Книги по физике
Умные книжки

Есть вопросик?

Его величество.

Музеи науки.

Достижения.

Викторина по физике

Физика в кадре

Учителю

Читатели пишут

Физика 8 класс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Источник тока — это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.
В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника.
Существуют различные виды источников тока:

Механический источник тока

— механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.

К ним относятся : электрофорная машина (диски машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щеток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака), динамо-машина, генераторы.

Тепловой источник тока

— внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.

Например, термоэлемент — две проволоки из разных металлов необходимо спаять с одного края, затем нагреть место спая, тогда между другими концами этих проволок появится напряжение.
Применяются в термодатчиках и на геотермальных электростанциях.

Световой источник тока

— энергия света преобразуется в электрическую энергию.

Например, фотоэлемент — при освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.
Применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах, видеокамерах.

Химический источник тока

— в результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется в электрическую.

Например, гальванический элемент — в цинковый сосуд вставлен угольный стержень. Стержень помещен в полотняный мешочек, наполнен-ный смесью оксида марганца с углем. В элементе используют клейстер из муки на растворе нашатыря. При взаимодействии нашатыря с цинком, цинк приобретает отрицательный заряд, а угольный стержень — положительный заряд. Между заряженным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле. В таком источнике тока уголь является положительным электродом, а цинковый сосуд — отрицательным электродом.
Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания.
Аккумуляторы — в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах.

Условное обозначение источника тока на электрической схеме

или батареи, состоящей из нескольких источников

Физика. 10 класс

§ 25. Условия существования постоянного электрического тока. Сторонние силы. ЭДС источника тока

Для возникновения электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц, способных перемещаться по проводнику под действием силы электрического поля. Такой электрический ток называют током проводимости. Что же обеспечивает существование электрического тока в проводнике в течение длительного промежутка времени?

Условия существования постоянного электрического тока. При изучении темы «Проводники в электростатическом поле» вы узнали, что перемещение свободных заряженных частиц в проводнике под действием сил внешнего электрического поля приводит к появлению индуцированных зарядов и происходит до тех пор, пока создаваемое ими электрическое поле не уравновесит внутри проводника внешнее поле. В итоге напряжённость результирующего электростатического поля во всём объёме внутри проводника оказывается равной нулю.

Для поддержания в проводнике постоянного электрического тока необходимо, чтобы проводник являлся частью замкнутой цепи. Но вы знаете, что работа электростатического поля при перемещении электрического заряда по замкнутому контуру равна нулю. Следовательно, в цепи должен быть участок, на котором осуществляется работа по перемещению заряда против сил электрического поля. Таким участком является источник тока.

Рассмотрим замкнутую электрическую цепь, состоящую из источника тока (участок ас) и металлического проводника (участок abc) ( рис. 130 ).

В проводнике abc свободные электроны под действием сил электрического поля перемещаются от точки с к точке a. Чтобы движение носителей заряда в цепи было продолжительным, электроны от точки a должны перемещаться к точке с . Самопроизвольно такое перемещение электронов происходить не может, так как на них в противоположном направлении (от точки с к точке a) действует сила электрического поля (см. рис. 130 ). Движение электронов в направлении, противоположном направлению силы электрического поля, возможно только под действием силы неэлектростатической природы, получившей название сторонней силы.

Источники тока

Источник тока — это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую.

✍️ В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц.

Существуют различные виды источников тока:

�� Механический — механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.

�� Тепловой — внутренняя энергия преобразуется в электрическую.

�� Световой — энергия света преобразуется в электрическую энергию.

�� Химический — в результате химической реакции идёт преобразование энергии.

Изучаем картинку и идём пить чай с печеньками ☕️