Электрический ток, источники электрического тока: определение и сущность. Источник тока - классификация и назначение Основные виды источников электрического тока

Когда говорят об использовании электрической энергии в быту, на производстве или транспорте, то имеют в виду работу электрического тока. Электрический ток подводят к потребителю от электростанции по проводам. Поэтому, когда в домах неожиданно гаснут электрические лампы или прекращается движение электропоездов, троллейбусов, говорят, что в проводах исчез ток.

Чтобы электрический ток в проводниках существовал длительное время, необходимо все это время поддерживать в нем электрическое поле. Электрическое поле в проводниках создается и может длительное время поддерживаться источниками 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.Разделенные частицы накапливаются на полюсах источника тока. Так называют места, к которым с помощью клемм или зажимов подсоединяют проводники. Один полюс источника тока заряжается положительно , другой - отрицательно . Если полюсы источника соединить проводником, то под действием электрического поля свободные заряженные частицы в проводнике начнут двигаться в определенном направлении, возникнет электрический ток.

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.

Гальванические элементы - самые распространенные в мире источники постоянного тока. Их достоинством является удобство и безопасность в использовании. Изобретены батарейки были очень давно, еще на заре освоения электроэнергии. Тогда ток еще и передавать-то на большие расстояние не умели, использовали только в рамках лаборатории. Но и по сей день разнообразные варианты батареек не утратили своей актуальности. Различают одноразовые и многоразовые батарейки – аккумуляторы.

Одноразовые батарейки в процессе эксплуатации вырабатывают весь свой потенциал и более непригодны.

В быту часто применяют батарейки, которые можно подзаряжать многократно - аккумуляторы (от лат. слова аккумуляторе - накоплять). Простейший аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин (электродов), помещенных в раствор серной кислоты.

Чтобы аккумулятор стал источником тока, его надо зарядить. Для зарядки через аккумулятор пропускают постоянный ток от какого-нибудь источника. В процессе зарядки в результате химических реакций один электрод становится положительно заряженным, а другой - отрицательно. Когда аккумулятор зарядится, его можно использовать как самостоятельный источник тока. Полюсы аккумуляторов обозначены знаками «+» и «-». При зарядке положительный полюс аккумулятора соединяют с положительным полюсом источника тока, отрицательный - с отрицательным полюсом.

Электрический ток - направленное, упорядоченное движение электрических зарядов.

Электрические заряды могут быть разными. Это могут быть электроны или ионы (положительно или отрицательно заряженные).
Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле. Под действием поля электрические заряды начнут перемещаться, возникнет электрический ток.

Обрати внимание!

Условия существования электрического тока:

Наличие свободных электрических зарядов;
наличие электрического поля, которое обеспечивает движение зарядов;
замкнутая электрическая цепь.

Электрическое поле создают 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. Сюда относятся: электрофорная машина, динамо-машина, генераторы.

Диски электрофорной машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щёток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака.

Тепловой источник тока - внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.

К нему относится термоэлемент. Две проволоки из разных металлов спаяны с одного края. Затем место спая нагревают, тогда между другими концами этих проволок появляется напряжение.

Световой источник тока - энергия света преобразуется в электрическую энергию. Сюда относится фотоэлемент.

При освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.

Химический источник тока - в результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется в электрическую.
К нему относится, например, гальванический элемент.

В цинковый сосуд Ц вставлен угольный стержень У, у которого имеется металлическая крышка М. Стержень помещён в полотняный мешочек, наполненный смесью оксида марганца с углём С. Пространство между цинковым корпусом и смесью оксида марганца с углём заполнено желеобразным раствором соли Р. В результате химической реакции 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. Они являются одноразовыми. В быту часто используют батарейки, которые можно подзаряжать многократно. Их называют аккумуляторами.

Простейший аккумулятор состоит из сосуда, наполненного слабым раствором серной кислоты в воде, в который опущены две свинцовые пластины (электроды). Чтобы аккумулятор стал источником тока, его надо зарядить. Если обе пластины соединить с полюсами какого-либо источника электрической энергии, то электрический ток, проходя через раствор, зарядит один электрод положительно, а другой - отрицательно. Такие аккумуляторы называют кислотными или свинцовыми. Кроме них ещё существуют щелочные или железоникелевые аккумуляторы. В них используется раствор щёлочи и пластины: одна - из спрессованного железного порошка, а вторая - из пероксида никеля.
Аккумуляторы используют в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах, железнодорожных вагонах и даже на искусственных спутниках Земли.
Наряду с источниками тока существуют различные потребители электроэнергии: лампы, пылесосы, компьютеры и многие другие. Чтобы электроэнергию доставить от источника до потребителя, необходимы соединительные проводники, а чтобы её поступлением можно было управлять, нужны рубильники, выключатели, кнопки и т.д.

Обрати внимание!

Источник электроэнергии, потребители электроэнергии, замыкающие устройства, соединённые между собой проводами, называют электрической цепью.

Чтобы в цепи существовал электрический ток, она должна быть замкнутой, т.е. состоять из проводников электричества. Если в каком-либо месте провод разорвётся, то ток в цепи прекратится. На этом основано действие выключателей.

Обрати внимание!

Чертежи, на которых изображаются способы соединения электрических приборов в цепь, называют схемами.

Приборы на схемах обозначают условными знаками. Вот некоторые из них:

Гальванический элемент или аккумулятор	Батарея элементов и аккумуляторов		Электрическая лампочка накаливания	Электрический звонок	Резистор

Двигатель	Генератор				Пересечение проводов без соединения	Соединение проводов

Источник тока - это устройство, которое преобразовывает разнообразные виды энергии в электричество. Условно можно разделить такие источники на физические и химические.

Источник тока и его история

Первые химические гальванические элементы и аккумуляторы появились в девятнадцатом веке (элементы Лекланше и батареи Вольта). Однако примерно до сороковых годов двадцатого века преимущества, который давал источник тока, фактически не использовались. Существовало всего несколько гальванических пар. Но уже буквально с середины сороковых годов, благодаря стремительному развитию радиоэлектроники, появились почти три десятка новых типов пар гальванических элементов. Теоретически же источник тока - это реализация свободной энергии практически любой химической реакции восстановителя и окислителя. Поэтому есть возможность реализовать более тысячи гальванических пар. Источник тока физический получил распространение в промышленности в начале шестидесятых годов прошлого века. Это обусловлено специфическими требованиями техники в производстве. К концу шестидесятых большинство технически развитых стран имели термогенераторы, термоэмиссионные генераторы и атомные батареи.

Источник тока и его основные характеристики

Технический прогресс стимулировал разработку источников электропитания, особенно автономных. Источник тока сегодня можно встретить в переносных осветительных приборах, радиоприемниках, магнитофонах, телевизорах, в медицинской аппаратуре, в автомобилях, самолетах, тракторах, в космических кораблях и во многих других вещах. Основными характеристиками и параметрами источников электроэнергии можно назвать: энергоемкость, удельную энергоемкость, мощность номинальную и удельную, КПД (коэффициент полезного действия), срок службы, надежность, частоту, способность к перегрузкам, напряжение, номинальный ток, стоимость.

Виды источников тока

В соответствии со способностью аккумулировать энергию химические источники делятся на первичные, резервные, вторичные и электрохимические генераторы. Существует также источник тока на полевом транзисторе. Следует рассмотреть каждый вид подробнее.

Источник тока первичный

Такие источники допускают только однократное использование химической энергии реагентов. Катод (положительный электрод) и анод (отрицательный электрод) разделены в жидком или же пастообразном состоянии электролитом. И катод, и анод имеют между собой гальваническую связь.

Источник тока вторичный

В подобных аккумуляторах или аккумуляторных батареях допускается многократное использование химической энергии, от сотен раз до десятков тысяч циклов. Электролит и электроды постоянно находятся в состоянии электрического контакта друг с другом. На сегодняшний день разработаны специфические условия хранения подобных батарей.

Источник тока резервный

Хотя резервные источники допускают только один цикл, электролит и электроды у них не связаны гальванически. Они сохраняются либо в жидком состоянии (в металлических или стеклянных ампулах), либо в жестком твердом.

Источник тока - это просто!

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 и создают между ними электрическое поле.
Если полюса источника соединить проводами, то по ним пойдет электрический ток.

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.

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.
В гальваническом элементе электроды должны обязательно по-разному взаимодействовать с раствором. Поэтому электроды делают из разных материалов.

Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

Что значит батарейка разрядилась?

Это значит, что электроды или раствор в гальваническом элементе уже израсходованы. Гальванический элемент (батарейку) следует заменить новым.

Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания.

Аккумуляторы

Аккумуляторы - это химические источники тока, в которых электроды не расходуются.
Например, простейший аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин, погруженных в раствор серной кислоты.

Перед использованием аккумулятор необходимо зарядить, т.е. соединить полюсы аккумулятора с аналогичными полюсами какого-нибудь источника тока. При зарядке химическая энергия аккумулятора увеличивается.

После использования разрядившийся аккумулятор можно заряжать снова. Разряжаясь аккумулятор превращает химическую энергию в электрическую.

Аккумуляторы бывают кислотные и щелочные.
Из отдельных аккумуляторов можно собрать аккумуляторные батареи.
Аккумуляторы применяют тогда, когда источник тока выгоднее перезаряжать, чем заменять новым.
Например, в космосе аккумуляторы заряжают от солнечных батарей. Разряжаясь, они питают аппаратуру космического корабля.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Условное обозначение источника тока на электрической схеме

или батареи, состоящей из нескольких источников

КНИЖНАЯ ПОЛКА

ИЗ ИСТОРИИ ИЗОБРЕТЕНИЙ

Луиджи Гальвани (1737-1798) - один из основоположников учения об электричестве, его опыты с «животным» электричеством положили начало новому научному направлению - электрофизиологии. В результате опытов с лягушками Гальвани предположил существование электричества внутри живых организмов

Курьёзы в науке.

Простудившаяся жена профессора анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани требовала заботы и внимания. Врачи прописали ей "укрепительный бульон" из лягушечьих лапок. Приготовляя лягушек для бульона, Гальвани и открыл знаменитое "живое электричество" - электрический ток.

Лейденская банка - первый источник тока.

К середине XVIII в. в Голландии, в Лейденском университете, ученые под руководством Питера ван Мушенбрука нашли способ накопления электрических зарядов. Таким накопителем электричества была лейденская банка - стеклянный сосуд, стенки которого снаружи и изнутри оклеены свинцовой фольгой. Лейденская банка, подключенная обкладками к электрической машине, могла накапливать и долго сохранять значительное количество электричества.Разряд лейденской банки имел достаточную мощность. Если ее обкладки соединяли отрезком толстой проволоки, то в месте замыкания проскакивала сильная искра, и накопленный электрический заряд мгновенно исчезал. Так стало возможным получить кратковременный электрический ток. Затем банку надо было снова заряжать. Сейчас подобные приборы мы называем электрическими конденсаторами.

Это открытие произвело огромное впечатление на всех людей, даже совершенно далеких от науки. Каждый хотел испытать электрический разряд на себе и увидеть его действие на других. Изобретатели лейденской банки Клейст и Мушенбрек первыми испытали удары зарядов: первый из них после испытания не захотел повторить ощущение даже за персидский престол, второй согласился страдать ради науки.
За лейденские банки взялись и медики. В 1744 году Кратценштейн из Галле разрядом излечил паралич пальца, потом Жильбер вдохнул жизнь в руку столяра, онемевшую от удара молотка. Публика стонала от ожиданий, все хотели бессмертия.

Изобретение гальванического элемента.

Первая электрическая батарея появилась в 1799 году.
Её изобрел итальянский физик Алессандро Вольта (1745 - 1827) - итальянский физик, химик и физиолог, изобретатель источника постоянного электрического тока.

Как-то раз он взял в руки трактат физиолога Луиджи Гальвани «Об электрических силах в мускуле» и понял, что лапка лягушки начинала дергаться только тогда, когда к ней прикасались двумя разными металлами. Гальвани не заметил этого! Вольта решает поставить опыт Гальвани на себе: он взял две монеты из разных металлов и положил их в рот - сверху, на язык, и под его. Потом соединил монеты тонкой проволокой и ощутил вкус подсоленной воды.
Вольта отлично знал – это вкус электричества, и рожден он был металлами.
Так устроен простейший элемент Вольта:

Первый источник тока Вольта–«вольтов столб» был построен в точном соответствии с его теорией «металлического» электричества. Вольта положил друг на друга попеременно несколько десятков небольших цинковых и серебряных кружочков, проложив меж ними бумагу, смоченную подсоленной водой.

Вольта был и первым испытателем своего прибора. Ученый опускал руку в чашу с водой, к которой подсоединял один из контактов «столба», а к другому контакту прикреплял проволоку, свободным концом которой он прикасался ко лбу, к носу, к веку. Он чувствовал или укол, или резкий удар - и все это аккуратно записывал. Иногда боль становилась невыносимой - и тогда Вольта размыкал свою цепь. Он понял, что его «столб» - это источник постоянного тока.
В 1800 году в журнале Лондонского королевского общества появилось письмо Вольты с описанием «вольтова столб». Так была изобретена первая в мире электрическая батарея. Хотя силы Вольтова столба хватило бы только на то, чтоб зажечь всего лишь одну слабую лампу.

А известный русский ученый Петров в 1802 г. изготовил огромную батарею. Она состояла из 4200 медных и цинковых кружков, между каждой парой которых прокладывали картонные кружочки, пропитанные раствором нашатыря. Эта батарея представляла собой 2100 медно-цинковых гальванических элементов, соединенных последовательно. Напряжение на ее зажимах составлялоколо 1650-1700 В.
Это был первый в истории источник постоянного тока сравнительно высокого напряжения.

СДЕЛАЙ САМ

Термоэлемент из электролампы

Если взять электрическую лампу без стеклянного баллона, ввернуть ее в патрон, укрепленный на подставке и соединить с гальванометром, то при нагревании горящей спичкой места соединения спирали с проволочкой гальванометр покажет наличие тока.

Лейденская банка

Лейденскую банку (или конденсатор) легко сделать самому. Для этого нужна стеклянная банка.
Стенки банки с внешней стороны и внутренней стороны надо на 2/3 оклеить фольгой (без складок!). Затем взять полиэтиленовую крышку и вставить в середину ее металлический стержень. На верхний конец стержня насадить металлический (или из любого другого материала, но оклеенный фольгой) шарик. Из фольги сделать кисточку и укрепить ее на нижнем конце стержня так, чтобы она при закрытой крышке касалась дна. Закрыть банку крышкой - и прибор готов!
Чтобы зарядить банку, прикоснитесь к шарику, например, наэлектризованной пластмассовой расческой. Чтобы увеличить заряд, проделайте это несколько раз, заново наэлектризовывая расческу.

Культуры некоторых организмов способны вырабатывать электрический ток. Если опустить в жидкую культуру кишечной палочки или обычных дрожжей платиновый электрод, а другой - в такую же питательную среду, но без микробов, то возникает разность потенциалов

"ОЖИВЛЯЕМ" БАТАРЕЙКУ!

Не спешите выбрасывать старую батарейку, а попробуйте ее "оживить".
В марганцево-цинковых элементах со временем из диоксида марганца образуется гидроксид марганца, который постепенно покрывает оксид и мешает протеканию химической реакции. Проще всего постучать по батарейке, например, камнем (при сотрясении разрушается образовавшийся поверхностный слой гидроксида).

Или же можно пробить в цинковом стаканчике батарейки отверстие, например, гвоздем и опустить батарейку в воду. Электролит разжижается, и ему легче проникнуть к диоксиду марганца. Таким способом можно увеличить срок службы батарейки почти на треть.

САМОДЕЛЬНЫЕ БАТАРЕЙКИ

Вкусная батарейка

А можно убедиться в этом и без вольтметра: прикоснитесь языком одновременно до меди и цинка – язык защиплет!

А можно составить большую батарею, включив элементы последовательно.
Вкусненько, не правда ли?!

Содовая батарейка

Надо развести питьевую соду до густоты сметаны, и выложить чайной ложкой на блюдце. На один край содового комка положить медную монету, а на другой конец – кусочек оцинкованного железа. Вы получили гальванический элемент, который дает напряжение около 1В. Его можно измерить с помощью вольтметра, дотронувшись проводами, идущими от вольтметра, одновременно до меди и цинка. Можно составить последовательную цепь из нескольких подобных элементов, напряжение на выходе батареи увеличится!

Солёная батарейка

Возьми по пять «желтых» и «белых» монет. Разложи их, чередуя между собой. Проложи между ними прокладки из промокашки или газеты, смоченной в крепком растворе поваренной соли. Поставь все это столбиком и сожми. Батарейка готова! Подсоедини вольтметр к первой «желтой» и последней «белой монете. Есть напряжение! А если взять этот столбик из монет большим и указательным пальцами, то можно ощутить легкий удар током!

Не забудь сначала очистить все металлические детали от жира, очень хорошо это получается с помощью порошка «Пемоксоль» (для чистки посуды)!

"СУХОЙ" или "МОКРЫЙ"?

Действительно ли, так называемый, «сухой элемент» является сухим?
Отнюдь, полость элемента между электродами заполнена веществом в пастообразном состоянии, и чтобы оно не вытекало, и электроды не смещались, элемент сверху заливают смолой.

Угольно-цинковые гальванические являются самыми распространенными сухими элементами питания. В них электролит находится в пастообразном состоянии.
Угольно-цинковые элементы могут "восстанавливаются" в течение перерыва в работе,
и в результате периодического "отдыха" срок службы элемента продлевается.

НУ и НУ

В далеких деревнях, на хуторах, где нет электричества, можно встретить интересную керосиновую лампу - "электростанцию": она не только светит, но и вырабатывает электрическую энергию. Устройство ее довольно простое. Брусочки из двух различных полупроводниковых материалов смонтированы в виде трубки, которую надевают на укороченное ламповое стекло. Каждая пара различных брусочков спаяна металлической пластинкой, образуя букву П. Когда лампа зажжена, . места спаек нагреваются, стороны брусочков, обращенные внутрь трубки, разогреваются воздухом, поднимающимся от пламени. Противоположные грани остаются холодными. В результате на холодном конце одного брусочка накапливается положительный заряд, а на холодной грани другого брусочка – отрицательный. Соединив грани соответствующих пар проволокой, получим термоэлектрогенератор.
Пока в наше время такие устройства не находят промышленного использования, т.к. коэффициент полезного действия такой термопары низкий - всего 6-8%. Это в несколько раз меньше, чем к. п. д. современных тепловых электростанций.

Ветряная ферма в Альтамонт Пэсс (Калифорния) состоит из 300 ветряных турбин. Чтобы производить столько же электричества, сколько производит атомная электростанция, ветряная ферма должна занимать площадь примерно в 140 квадратных миль.

ПОПРОБУЙ РАСКУСИ

(или задачки "на 5")

1. Как изменится действие элемента Вольта, если его медный электрод заменить цинковым или цинковый заменить вторым медным?

2. Если алюминиевый чайник, в который налит раствор поваренной соли, присоединен
медным проводом к одной клемме гальванометра, а ко второй клемме присоединен железный стакан, то что произойдет при переливании жидкости из чайника в стакан?