§ 10. Джерела електричного струму

Електричне освітлення, робота станків, електропотягів потребує тривалого існування електричного струму, який надходить до різних споживачів. Для створення і тривалого підтримування струму в провідниках використовують джерела електричного струму. У них відбувається розділення електричних зарядів і нагромадження їх на полюсах: на одному позитивних — позначається знаком “+”, на іншому негативних — позначається “—”. Оскільки різнойменні заряди притягуються, у джерелі повинна виконуватися робота з переміщення зарядів проти електричних сил притягання різнойменних зарядів (мал. 2.19).

Джерела струму розрізняються за природою сил, які виконують роботу з переміщення та розділення зарядів у джерелі, принципом дії, конструкцією, потужністю. Одні джерела використовують для живлення кишенькових ліхтариків, мобільних телефонів, інші — забезпечують електроенергією житлові

квартали, заводи й фабрики, електротранспорт. У джерелах струму відбувається перетворення механічної, внутрішньої, хімічної або інших видів енергії на електричну енергію.

Одні з перших пристроїв, які дали змогу тривалий час підтримувати електричний струм, — джерела, в яких для виконання роботи з розділення зарядів використовували енергію хімічних реакцій. Ці джерела, відомі як гальванічні елементи, й сьогодні широко використовуються для живлення кишенькових ліхтариків, радіоприймачів, плеєрів, мобільних телефонів, надання руху електрифікованим іграшкам та ін.

Італійський вчений А. Вольта (1745—1827 рр.) виявив наступне: якщо два диски з різних металів накласти один на інший, то один диск набуває позитивного заряду, а інший — негативного. Він сконструював першу електричну батарею, відому як “вольтів стовп” (мал. 2.20). Батарея складалася з мідних і цинкових дисків, між якими прокладалися диски, вирізані з повсті, просочені розчином сірчаної кислоти. Унаслідок енергії, що виділялася під час хімічної реакції, на цинковому диску виникав негативний заряд, а на мідному — позитивний. Свій винахід А. Вольта назвав на честь італійського дослідника Луїджі Гальвані (1737—1798 рр.) — гальванічний елемент. Це було перше джерело електричного струму, яке почали практично використовувати.

Сучасний гальванічний елемент (мал. 2.21) складається з цинкового стаканчика та вугільного стрижня, простір між яким заповнюється пастою із суміші оксидів різних елементів, розчинів лугів, кислот, нашатирю та інших речовин. Корпус стаканчика — негативний полюс елемента, а пластинка, з’єднана з вугільним стрижнем, — позитивний полюс. Окремі елементи можна з’єднувати, утворюючи батареї елементів. Якщо з’єднати позитивний і негативний полюси гальванічного елемента провідником, то по ньому починає рухатися електричний струм, який і забезпечує роботу різних споживачів.

Джерелами, в яких робота з розділення електричних зарядів виконується за рахунок енергії, що виділяється під час хімічних реакцій, є також акумулятори — накопичувачі. На відміну від гальванічних елементів акумулятори є джерелами багаторазового використання. Щоб акумулятор можна було використовувати як джерело струму, його спочатку потрібно зарядити. Для цього акумулятор приєднують до іншого джерела і пропускають через нього струм. У процесі заряджання в акумуляторі відбувається хімічна реакція. Зарядивши, його можна використовувати як звичайний гальванічний елемент. Залежно від речовин, які застосовують в їхніх конструкціях, розрізняють свинцеві (кислотні), лужні, срібно-цинкові, літієві акумулятори та ін. (мал. 2.22). Типовий кислотний (свинцевий) акумулятор — автомобільний акумулятор.

У 1821 р. Томас Йоган Зеєбек (1770—1831 рр.) відкрив явище, яке назвали термоелектричний ефект (ефект Зеєбека). Він виявив, що при замиканні кінців кола, яке складалося з двох провідників із різних металів, у ньому виникає струм, якщо один із спаїв нагрівати. Так, з’явилися термоелементи, в яких розділення електричних зарядів відбувалося унаслідок нагрівання спаю різнорідних металевих дротин. Схематично термоелемент зображено на мал. 2.23, а. Термоелементи можна з’єднувати у батареї (мал. 2.23, б).

Батареї термоелементів застосовують скотарі для живлення радіоапаратури в гірських районах (мал. 2.24).

Останнім часом дедалі частіше використовують джерела струму, в яких розподіл зарядів відбувається за рахунок енергії сонячного випромінювання. Нині побудовано кілька достатньо потужних сонячних електростанцій. Напівпровідникові фотоелементи цих електростанцій перетворюють сонячну енергію на енергію електричного струму (мал. 2.25). Батареї з та-

ких фотоелементів широко застосовують для живлення електричною енергією космічних апаратів.

На теплових і атомних електростанціях, а також гідроелектростанціях розділення зарядів здійснюється за допомогою генераторів. Генератор (від лат. generator — виробник) — це пристрій або машина, що використовується для вироблення електричної енергії або перетворення одного виду енергії в інший. З будовою та дією генераторів електричного струму ви познайомитесь пізніше.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Яка роль джерела струму в електричному колі?

2.    Назвіть кілька типів джерел електричного струму.

3.    Які перетворення енергії відбуваються в джерелах струму?

4.    Наведіть приклади джерел струму, в яких на енергію електричного струму перетворюється хімічна енергія, енергія сонячного випромінювання.

5.    У чому полягає різниця в дії гальванічних елементів і акумуляторів?

Найпростіше джерело живлення — сольовий гальванічний елемент — легко можна виготовити в домашніх умовах. Електродами ваших гальванічних елементів можуть слугувати смужки міді та цинку (можна використати мідні дротини та обрізки оцинкованого заліза). Потрібні також пластикові стаканчики, вода та сіль.

Зачистіть поверхні смужок наждачним папером. Пробийте гвіздком отвір з одного краю кожної зі смужок. Вони потрібні для приєднання підвідних провідників і попарного з’єднання цинкових і мідних електродів. Зігніть смужки міді (мідну дротину) та цинку (смужку оцинкованого заліза) так, щоб їх можна було підвісити на краї пластикового стаканчика (мал. 2.26, а). Якщо ви використовуєте мідну дротину, з неї необхідно

зняти ізоляційне покриття і зігнути приблизно так, як показано на мал. 2.26, б.

Зробіть концентрований розчин солі, розчинивши її в гарячій воді. Налийте розчин солі в стаканчик і підвісьте на його краї смужки міді і цинку, так, щоб вони занурилися в розчин, але не доторкалися

одна до одної. Ваш гальванічний елемент готовий. Мідна пластина — позитивний полюс (+), а цинкова — негативний полюс (-) вашого елемента.

Потужність такого джерела струму невелика. Щоб світився, наприклад, малопотужний світлодіод (можна скористатися світлодіодом від зламаної іграшки), потрібно приготувати 4-5 таких елементів і з’єднати їх в батарею протилежними полюсами (мал. 2.27). Світлодіод світитиметься, якщо його виводи приєднано до відповідних полюсів джерела струму (коротший вивід до “-”). Якщо свічення немає, поміняйте полярність включення, перевірте надійність з’єднань.

Таке джерело забезпечить неперервне свічення світлодіода протягом кількох місяців. Спробуйте проекспериментувати. Використайте різні пари електродів (залізо—мідь, мідь—алюміній та ін.), змініть концентрацію розчину, відстані між електродами.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бойко