A corrente elétrica no condutor surge sob a influência de um campo elétrico, forçando partículas carregadas livres a entrarem em movimento direcionado. Criar uma corrente de partículas é um problema sério. Construir tal dispositivo que mantenha a diferença de potencial do campo por muito tempo em um estado é uma tarefa que a humanidade só poderia resolver no final do século 18.
Primeiras tentativas
As primeiras tentativas de "acumular eletricidade" para sua posterior pesquisa e uso foram feitas na Holanda. O alemão Ewald Jurgen von Kleist e o holandês Peter van Muschenbrook, que conduziram suas pesquisas na cidade de Leiden, criaram o primeiro capacitor do mundo, mais tarde chamado de "Jarro de Leyden".
O acúmulo de carga elétrica já ocorreu sob a ação do atrito mecânico. Era possível usar uma descarga através de um condutor por um certo período de tempo bastante curto.
A vitória da mente humana sobre uma substância tão efêmera como a eletricidade acabou sendo revolucionária.
Infelizmente, descarga (corrente elétrica gerada por um capacitor)durou tão pouco que não poderia criar uma corrente contínua. Além disso, a tensão fornecida pelo capacitor é gradualmente reduzida, o que impossibilita receber uma corrente contínua.
Eu deveria ter procurado outra maneira.
Primeira fonte
As experiências de "eletricidade animal" do italiano Galvani foram uma tentativa original de encontrar uma fonte natural de corrente na natureza. Pendurando as pernas de sapos dissecados em ganchos de metal de uma treliça de ferro, ele chamou a atenção para a reação característica das terminações nervosas.
No entanto, outro italiano, Alessandro Volta, refutou as conclusões de Galvani. Interessado na possibilidade de obter eletricidade de organismos animais, realizou uma série de experimentos com sapos. Mas sua conclusão acabou sendo o oposto das hipóteses anteriores.
Volta chamou a atenção para o fato de que um organismo vivo é apenas um indicador de uma descarga elétrica. Quando a corrente passa, os músculos das pernas se contraem, indicando uma diferença de potencial. A fonte do campo elétrico era o contato de metais diferentes. Quanto mais distantes estiverem em uma série de elementos químicos, maior será o efeito.
Placas de metais diferentes, colocadas com discos de papel embebidos em solução eletrolítica, criaram a diferença de potencial necessária por muito tempo. E que seja baixo (1,1 V), mas a corrente elétrica poderia ser investigada por um longo tempo. O principal é que a tensão permaneceu in alterada por tanto tempo.
O que está acontecendo
Por que as fontes chamadas "células galvânicas" causam tal efeito?
Dois eletrodos de metal colocados em um dielétrico desempenham papéis diferentes. Um fornece elétrons, o outro os aceita. O processo de reação redox leva ao aparecimento de um excesso de elétrons em um eletrodo, que é chamado de polo negativo, e uma deficiência no segundo, vamos denotar como o polo positivo da fonte.
Nas células galvânicas mais simples, as reações oxidativas ocorrem em um eletrodo e as reações de redução ocorrem no outro. Os elétrons chegam aos eletrodos do lado de fora do circuito. O eletrólito é o condutor de corrente dos íons dentro da fonte. A força da resistência governa a duração do processo.
Elemento cobre-zinco
É interessante considerar o princípio de funcionamento das células galvânicas usando o exemplo de uma célula galvânica cobre-zinco, cuja ação se deve à energia do zinco e do sulfato de cobre. Nesta fonte, uma placa de cobre é colocada em uma solução de sulfato de cobre e um eletrodo de zinco é imerso em uma solução de sulfato de zinco. As soluções são separadas por um espaçador poroso para evitar a mistura, mas devem estar em contato.
Se o circuito estiver fechado, a camada superficial de zinco é oxidada. No processo de interação com o líquido, os átomos de zinco, transformados em íons, aparecem na solução. Os elétrons são liberados no eletrodo, que podem participar da geração de corrente.
Chegando ao eletrodo de cobre, os elétrons participam da reação de redução. A partir desolução, os íons de cobre entram na camada superficial, no processo de redução eles se transformam em átomos de cobre, depositando-se na placa de cobre.
Para resumir o que está acontecendo: o processo de funcionamento de uma célula galvânica é acompanhado pela transferência de elétrons do agente redutor para o agente oxidante ao longo da parte externa do circuito. As reações ocorrem em ambos os eletrodos. Uma corrente iônica flui dentro da fonte.
Dificuldade de uso
Em princípio, qualquer uma das possíveis reações redox pode ser usada em baterias. Mas não há tantas substâncias capazes de trabalhar em elementos tecnicamente valiosos. Além disso, muitas reações requerem substâncias caras.
As baterias modernas têm uma estrutura mais simples. Dois eletrodos colocados em um eletrólito enchem o recipiente - a caixa da bateria. Esses recursos de design simplificam a estrutura e reduzem o custo das baterias.
Qualquer célula galvânica é capaz de produzir corrente contínua.
A resistência da corrente não permite que todos os íons estejam nos eletrodos ao mesmo tempo, então o elemento funciona por muito tempo. As reações químicas de formação de íons mais cedo ou mais tarde param, o elemento é descarregado.
A resistência interna de uma fonte de corrente é importante.
Um pouco sobre resistência
O uso da corrente elétrica, sem dúvida, trouxe o progresso científico e tecnológico a um novo patamar, deu-lhe um impulso gigantesco. Mas a força de resistência ao fluxo da corrente atrapalha esse desenvolvimento.
Por um lado, a corrente elétrica tem propriedades inestimáveis usadas na vida cotidiana e na tecnologia, por outro lado, há uma oposição significativa. A física, como ciência da natureza, tenta encontrar um equilíbrio, alinhar essas circunstâncias.
A resistência de corrente surge devido à interação de partículas eletricamente carregadas com a substância através da qual elas se movem. É impossível excluir este processo em condições normais de temperatura.
Resistência
A resistência interna da fonte de corrente e a resistência da parte externa do circuito são de natureza ligeiramente diferente, mas o mesmo nesses processos é o trabalho realizado para mover a carga.
O trabalho em si depende apenas das propriedades da fonte e seu conteúdo: as qualidades dos eletrodos e eletrólitos, bem como das partes externas do circuito, cuja resistência depende dos parâmetros geométricos e químicos características do material. Por exemplo, a resistência de um fio metálico aumenta com o aumento de seu comprimento e diminui com a expansão da área da seção transversal. Ao resolver o problema de como reduzir a resistência, a física recomenda o uso de materiais especializados.
Corrente de trabalho
De acordo com a lei de Joule-Lenz, a quantidade de calor liberada nos condutores é proporcional à resistência. Se designarmos a quantidade de calor como Qint., a intensidade da corrente I, o tempo de seu fluxo t, teremos:
Qint=I2 · r t,
onde r é a resistência interna da fonteatual.
Em todo o circuito, incluindo suas partes internas e externas, a quantidade total de calor será liberada, cuja fórmula é:
Qfull=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Sabe-se como a resistência é denotada na física: um circuito externo (todos os elementos, exceto a fonte) tem resistência R.
Lei de Ohm para um circuito completo
Tenha em conta que o trabalho principal é feito por forças externas dentro da fonte de corrente. Seu valor é igual ao produto da carga transportada pelo campo e a força eletromotriz da fonte:
q E=I2 (r + R) t.
percebendo que a carga é igual ao produto da intensidade da corrente pelo tempo de seu fluxo, temos:
E=I (r + R)
De acordo com as relações de causa e efeito, a lei de Ohm tem a forma:
I=E: (r + R)
A corrente em um circuito fechado é diretamente proporcional à EMF da fonte de corrente e inversamente proporcional à resistência total (total) do circuito.
Com base neste padrão, é possível determinar a resistência interna da fonte de corrente.
Capacidade de descarga da fonte
A capacidade de descarga também pode ser atribuída às principais características das fontes. A quantidade máxima de eletricidade que pode ser obtida ao operar sob certas condições depende da intensidade da corrente de descarga.
No caso ideal, quando certas aproximações são feitas, a capacidade de descarga pode ser considerada constante.
KPor exemplo, uma bateria padrão com uma diferença de potencial de 1,5 V tem uma capacidade de descarga de 0,5 Ah. Se a corrente de descarga for 100mA, então funciona por 5 horas.
Métodos para carregar baterias
A exploração de baterias leva à sua descarga. Restauração de baterias, carregamento de pequenas células é realizado usando uma corrente cujo valor de força não exceda um décimo da capacidade da fonte.
Os seguintes métodos de carregamento estão disponíveis:
- usando corrente constante por um tempo especificado (cerca de 16 horas de corrente 0,1 capacidade da bateria);
- carregando com uma corrente abaixadora para um valor de diferença de potencial predeterminado;
- uso de correntes desbalanceadas;
- aplicação sucessiva de pulsos curtos de carga e descarga, em que o tempo do primeiro supera o tempo do segundo.
Trabalho Prático
A tarefa é proposta: determinar a resistência interna da fonte de corrente e EMF.
Para realizá-lo, você precisa estocar uma fonte de corrente, um amperímetro, um voltímetro, um reostato deslizante, uma chave, um conjunto de condutores.
Usar a lei de Ohm para um circuito fechado determinará a resistência interna da fonte de corrente. Para fazer isso, você precisa conhecer seu EMF, o valor da resistência do reostato.
A fórmula de cálculo para a resistência de corrente na parte externa do circuito pode ser determinada pela lei de Ohm para a seção do circuito:
I=U: R,
onde I é a intensidade da corrente na parte externa do circuito, medida com um amperímetro; U - tensão externaresistência.
Para melhorar a precisão, as medições são feitas pelo menos 5 vezes. Para que serve? A tensão, resistência, corrente (ou melhor, intensidade da corrente) medida durante o experimento são usadas abaixo.
Para determinar a EMF da fonte de corrente, usamos o fato de que a tensão em seus terminais com a chave aberta é quase igual à EMF.
Vamos montar um circuito a partir de uma bateria, um reostato, um amperímetro, uma chave conectada em série. Conectamos um voltímetro aos terminais da fonte de corrente. Tendo aberto a chave, fazemos suas leituras.
A resistência interna, cuja fórmula é obtida da lei de Ohm para um circuito completo, é determinada por cálculos matemáticos:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
As medições mostram que a resistência interna é muito menor que a externa.
A função prática de baterias recarregáveis e baterias é amplamente utilizada. A indiscutível segurança ambiental dos motores elétricos é inquestionável, mas criar uma bateria espaçosa e ergonômica é um problema da física moderna. Sua solução levará a uma nova rodada no desenvolvimento da tecnologia automotiva.
Baterias pequenas, leves e de alta capacidade também são essenciais em dispositivos eletrônicos móveis. A quantidade de energia utilizada neles está diretamente relacionada ao desempenho dos dispositivos.
