Le courant électrique dans le conducteur se produit sous l'influence d'un champ électrique, forçant les particules chargées libres à entrer en mouvement dirigé. La création d'un courant de particules est un problème sérieux. Construire un tel appareil qui maintiendra la différence de potentiel du champ pendant longtemps dans un état est une tâche que l'humanité ne pourrait résoudre qu'à la fin du 18ème siècle.
Premières tentatives
Les premières tentatives "d'accumuler de l'électricité" pour sa recherche et son utilisation ultérieures ont été faites en Hollande. L'Allemand Ewald Jurgen von Kleist et le Néerlandais Peter van Muschenbrook, qui ont mené leurs recherches dans la ville de Leiden, ont créé le premier condensateur au monde, appelé plus tard le "pot de Leyde".
L'accumulation de charge électrique a déjà eu lieu sous l'action du frottement mécanique. Il était possible d'utiliser une décharge à travers un conducteur pendant une certaine période de temps plutôt courte.
La victoire de l'esprit humain sur une substance aussi éphémère que l'électricité s'est avérée révolutionnaire.
Malheureusement, décharge (courant électrique généré par un condensateur)a duré si peu qu'il ne pouvait pas créer de courant continu. De plus, la tension fournie par le condensateur est progressivement réduite, ce qui rend impossible la réception d'un courant continu.
J'aurais dû chercher un autre moyen.
Première source
Les expériences "d'électricité animale" de l'italien Galvani étaient une tentative originale de trouver une source naturelle de courant dans la nature. Suspendant les pattes de grenouilles disséquées aux crochets métalliques d'un treillis de fer, il a attiré l'attention sur la réaction caractéristique des terminaisons nerveuses.
Cependant, un autre Italien, Alessandro Volta, a réfuté les conclusions de Galvani. Intéressé par la possibilité d'obtenir de l'électricité à partir d'organismes animaux, il a mené une série d'expériences avec des grenouilles. Mais sa conclusion s'est avérée être à l'opposé des hypothèses précédentes.
Volta a attiré l'attention sur le fait qu'un organisme vivant n'est qu'un indicateur d'une décharge électrique. Lorsque le courant passe, les muscles des jambes se contractent, indiquant une différence de potentiel. La source du champ électrique était le contact de métaux différents. Plus ils sont éloignés les uns des autres dans une série d'éléments chimiques, plus l'effet est important.
Des plaques de métaux dissemblables, posées avec des disques de papier trempés dans une solution d'électrolyte, ont créé pendant longtemps la différence de potentiel nécessaire. Et qu'il soit faible (1,1 V), mais le courant électrique pourrait être étudié pendant longtemps. L'essentiel est que la tension soit restée inchangée aussi longtemps.
Qu'est-ce qui se passe
Pourquoi les sources appelées "cellules galvaniques" provoquent-elles un tel effet ?
Deux électrodes métalliques placées dans un diélectrique jouent des rôles différents. L'un fournit des électrons, l'autre les accepte. Le processus de réaction redox conduit à l'apparition d'un excès d'électrons sur une électrode, que l'on appelle le pôle négatif, et d'un déficit sur la seconde, nous l'appellerons le pôle positif de la source.
Dans les cellules galvaniques les plus simples, des réactions d'oxydation se produisent sur une électrode et des réactions de réduction se produisent sur l'autre. Les électrons arrivent aux électrodes depuis l'extérieur du circuit. L'électrolyte est le conducteur de courant des ions à l'intérieur de la source. La force de la résistance détermine la durée du processus.
Élément cuivre-zinc
Le principe de fonctionnement des cellules galvaniques est intéressant à considérer en prenant l'exemple d'une cellule galvanique cuivre-zinc dont l'action est due à l'énergie du zinc et du sulfate de cuivre. Dans cette source, une plaque de cuivre est placée dans une solution de sulfate de cuivre et une électrode de zinc est immergée dans une solution de sulfate de zinc. Les solutions sont séparées par une entretoise poreuse pour éviter le mélange, mais doivent être en contact.
Si le circuit est fermé, la couche superficielle de zinc est oxydée. Au cours du processus d'interaction avec le liquide, des atomes de zinc, transformés en ions, apparaissent dans la solution. Des électrons sont libérés sur l'électrode, qui peut participer à la génération de courant.
En arrivant à l'électrode de cuivre, les électrons participent à la réaction de réduction. Depuissolution, les ions de cuivre pénètrent dans la couche de surface, au cours du processus de réduction, ils se transforment en atomes de cuivre et se déposent sur la plaque de cuivre.
Pour résumer ce qui se passe: le processus de fonctionnement d'une cellule galvanique s'accompagne du transfert d'électrons de l'agent réducteur vers l'agent oxydant le long de la partie externe du circuit. Les réactions ont lieu sur les deux électrodes. Un courant ionique circule à l'intérieur de la source.
Difficulté d'utilisation
En principe, toutes les réactions redox possibles peuvent être utilisées dans les batteries. Mais il n'y a pas tant de substances capables de travailler dans des éléments techniquement précieux. De plus, de nombreuses réactions nécessitent des substances coûteuses.
Les batteries modernes ont une structure plus simple. Deux électrodes placées dans un électrolyte remplissent le récipient - le boîtier de la batterie. De telles caractéristiques de conception simplifient la structure et réduisent le coût des batteries.
Toute cellule galvanique est capable de produire du courant continu.
La résistance du courant ne permet pas à tous les ions d'être sur les électrodes en même temps, donc l'élément fonctionne longtemps. Les réactions chimiques de formation d'ions s'arrêtent tôt ou tard, l'élément est déchargé.
La résistance interne d'une source de courant est importante.
Un peu de résistance
L'utilisation du courant électrique a sans aucun doute amené le progrès scientifique et technologique à un nouveau niveau, lui a donné un coup de pouce géant. Mais la force de résistance au flux de courant fait obstacle à un tel développement.
D'une part, le courant électrique a des propriétés inestimables utilisées dans la vie quotidienne et la technologie, d'autre part, il existe une opposition significative. La physique, en tant que science de la nature, essaie de trouver un équilibre, de mettre ces circonstances en conformité.
La résistance actuelle est due à l'interaction des particules chargées électriquement avec la substance à travers laquelle elles se déplacent. Il est impossible d'exclure ce processus dans des conditions de température normales.
Résistance
La résistance interne de la source de courant et la résistance de la partie externe du circuit sont de nature légèrement différente, mais le même dans ces processus est le travail effectué pour déplacer la charge.
Le travail lui-même ne dépend que des propriétés de la source et de son contenu: les qualités des électrodes et de l'électrolyte, ainsi que pour les parties externes du circuit, dont la résistance dépend des paramètres géométriques et chimiques caractéristiques du matériau. Par exemple, la résistance d'un fil métallique augmente avec une augmentation de sa longueur et diminue avec une expansion de la section transversale. Pour résoudre le problème de la réduction de la résistance, la physique recommande d'utiliser des matériaux spécialisés.
Travail en cours
Conformément à la loi de Joule-Lenz, la quantité de chaleur dégagée dans les conducteurs est proportionnelle à la résistance. Si nous désignons la quantité de chaleur par Qint., la force du courant I, le temps de son écoulement t, alors nous obtenons:
Qint=I2 · r t,
où r est la résistance interne de la sourcecourant.
Dans l'ensemble du circuit, y compris ses parties internes et externes, la quantité totale de chaleur sera libérée, dont la formule est:
Qfull=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
On sait comment la résistance est désignée en physique: un circuit externe (tous les éléments sauf la source) a une résistance R.
Loi d'Ohm pour un circuit complet
Tenez compte du fait que le travail principal est effectué par des forces externes à l'intérieur de la source de courant. Sa valeur est égale au produit de la charge portée par le champ et de la force électromotrice de la source:
q E=I2 (r + R) t.
réalisant que la charge est égale au produit de l'intensité du courant et du temps de son écoulement, nous avons:
E=je (r + R)
Selon les relations de cause à effet, la loi d'Ohm a la forme:
I=E: (r + R)
Le courant dans un circuit fermé est directement proportionnel à la FEM de la source de courant et inversement proportionnel à la résistance totale (totale) du circuit.
Sur la base de ce schéma, il est possible de déterminer la résistance interne de la source de courant.
Capacité de décharge de la source
La capacité de rejet peut également être attribuée aux principales caractéristiques des sources. La quantité maximale d'électricité pouvant être obtenue lors d'un fonctionnement dans certaines conditions dépend de la force du courant de décharge.
Dans le cas idéal, lorsque certaines approximations sont faites, la capacité de décharge peut être considérée comme constante.
KPar exemple, une batterie standard avec une différence de potentiel de 1,5 V a une capacité de décharge de 0,5 Ah. Si le courant de décharge est de 100 mA, il fonctionne pendant 5 heures.
Méthodes de chargement des batteries
L'exploitation des batteries entraîne leur décharge. La restauration des batteries, la charge des petites cellules s'effectuent à l'aide d'un courant dont la valeur d'intensité ne dépasse pas le dixième de la capacité de la source.
Les méthodes de recharge suivantes sont disponibles:
- en utilisant un courant constant pendant une durée spécifiée (environ 16 heures de courant pour une capacité de batterie de 0,1);
- charge avec un courant abaisseur jusqu'à une valeur de différence de potentiel prédéterminée;
- utilisation de courants déséquilibrés;
- application successive de courtes impulsions de charge et de décharge, dans lesquelles le temps de la première dépasse le temps de la seconde.
Travaux pratiques
La tâche est proposée: déterminer la résistance interne de la source de courant et la FEM.
Pour l'exécuter, il faut s'approvisionner en une source de courant, un ampèremètre, un voltmètre, un rhéostat à curseur, une clé, un jeu de conducteurs.
L'utilisation de la loi d'Ohm pour un circuit fermé déterminera la résistance interne de la source de courant. Pour ce faire, vous devez connaître sa FEM, la valeur de la résistance du rhéostat.
La formule de calcul de la résistance de courant dans la partie extérieure du circuit peut être déterminée à partir de la loi d'Ohm pour la section de circuit:
I=U: R,
où I est l'intensité du courant dans la partie extérieure du circuit, mesurée avec un ampèremètre; U - tension sur l'extérieurrésistance.
Pour améliorer la précision, les mesures sont prises au moins 5 fois. Pourquoi est-ce? La tension, la résistance, le courant (ou plutôt l'intensité du courant) mesurés au cours de l'expérience sont utilisés ci-dessous.
Pour déterminer la FEM de la source de courant, on utilise le fait que la tension à ses bornes avec la clé ouverte est presque égale à la FEM.
Assemblons un circuit à partir d'une pile, d'un rhéostat, d'un ampèremètre, d'une clé connectée en série. Nous connectons un voltmètre aux bornes de la source de courant. Après avoir ouvert la clé, nous prenons ses lectures.
La résistance interne, dont la formule est obtenue à partir de la loi d'Ohm pour un circuit complet, est déterminée par des calculs mathématiques:
- I=E: (r + R).
- r=E: I – U: I.
Les mesures montrent que la résistance interne est bien inférieure à la résistance externe.
La fonction pratique des piles rechargeables et des piles est largement utilisée. La sécurité environnementale incontestable des moteurs électriques ne fait aucun doute, mais créer une batterie spacieuse et ergonomique est un problème de physique moderne. Sa solution ouvrira un nouveau cycle dans le développement de la technologie automobile.
Les batteries petites, légères et à haute capacité sont également essentielles dans les appareils électroniques mobiles. La quantité d'énergie qu'ils consomment est directement liée aux performances des appareils.
