§ 25. Источники электрического тока

Многим знакома ситуация: необходимо срочно позвонить по телефону, вы берете мобильный телефон и с досадой обнаруживаете, что батарея аккумуляторов разрядилась, а телефон из чуда технической мысли превратился в кусок пластика. То же самое может произойти и с аккумуляторами фотоаппарата, плеера, фонарика, часов. Что делать дальше, знает даже первоклассник, а вот что такое аккумулятор, вы узнаете из этого параграфа.

Знакомимся с источниками электрического тока

Понятно, что любое исправное электротехническое устройство будет работать только тогда, когда выполнены условия существования электрического тока: наличие свободных заряженных частиц и наличие электрического поля. За создание электрического поля «отвечают» источники тока.

В источниках электрического тока электрическое поле создается и поддерживается благодаря разделению разноименных электрических зарядов. В результате на одном полюсе источника скапливаются частицы,

имеющие положительный заряд, а на другом — частицы, имеющие отрицательный заряд. Между полюсами возникает электрическое поле.

Однако разделить разноименные заряды не так просто, ведь между ними существуют силы притяжения. Для разделения разноименных зарядов, а значит, для создания электрического поля необходимо выполнить работу. И выполнить ее можно за счет механической, химической, тепловой и других видов энергии.

Источники электрического тока — устройства, преобразующие разные виды энергии в электрическую энергию.

Узнаём о разных видах источников электрического тока

Все источники электрического тока можно условно разделить на физические и химические.

К физическим источникам электрического тока принято относить устройства, в которых разделение зарядов происходит за счет механической, световой или тепловой энергии. Примерами таких источников тока могут быть электрофорная машина (рис. 25.1), турбогенераторы электростанций (рис. 25.2), фото- и термоэлементы (рис. 25.3, 25.4) и т. д.

Какой вид энергии преобразуется в электрическую энергию в динамогенераторе велосипеда? в ветряном генераторе?

Химическими источниками электрического тока называют устройства, в которых разделение зарядов происходит за счет энергии, которая выделяется в результате химических реакций. К химическим источникам тока относятся гальванические элементы и аккумуляторы.

|3 Создаём гальванический элемент

Возьмем медную и цинковую пластинки и очистим их поверхности. Между пластинками положим ткань, смоченную слабым раствором сульфатной кислоты. Изготовленное устройство представляет собой простейший гальванический элемент (рис. 25.5). Если соединить пластинки через гальванометр¹³, то прибор зафиксирует наличие тока.

Гальванический элемент создал итальянский ученый А. Вольта (рис. 25.6); он назвал его в честь своего соотечественника — анатома и физиолога Луиджи Гальвани (1737-1798). Опыты, описанные Гальвани, подсказали А. Вольте идею создания химического источника тока.

Любой гальванический элемент состоит из двух электродов и электролита.

Между электродами и электролитом происходят химические реакции, в результате которых один из электродов приобретает положительный заряд, а второй — отрицательный заряд. Когда запас веществ, принимающих участие в реакциях, истощается, гальванический элемент прекращает работу.

|4 Изучаем аккумуляторы

Со временем гальванические элементы становятся непригодными к работе, и их нельзя использовать повторно. А вот другой вид химических источников электрического тока — электрические аккумуляторы — можно использовать многократно.

Аккумуляторы, как и гальванические элементы, состоят из двух электродов, помещенных в электролит. Так, свинцовый аккумулятор, используемый в автомобилях, имеет один электрод из свинца, а другой — из оксида свинца (плюмбум диоксида); электролитом служит водный раствор сульфатной кислоты.

Если электроды заряженного аккумулятора подсоединить, например, к электрической лампе накаливания, то в ее нити потечет ток. Внутри же аккумулятора будут происходить химические реакции, в результате которых электрод из свинца все время будет заряжен отрицательно, а электрод из плюмбум диоксида — положительно. При этом сульфатная кислота будет превращаться в воду. Когда концентрация сульфатной кислоты уменьшится до некого предельного значения, аккумулятор разрядится и перестанет работать. Однако его можно снова зарядить. При зарядке аккумулятора химические реакции идут в обратном направлении и концентрация сульфатной кислоты восстанавливается.

|4 Применяем химические источники электрического тока

Аккумуляторы, как и гальванические элементы, обычно объединяют и получают соответственно аккумуляторную батареюи батарею гальванических элементов(рис. 25.7).

По принципу действия современные химические источники тока почти не отличаются от созданных два века назад. При этом сейчас существует множество видов гальванических элементов и аккумуляторов и активно разрабатываются новые. Они различаются размерами, массой, энергоемкостью, сроком работы, надежностью, безопасностью, стоимостью и т. д.

Выбор того или иного химического источника тока продиктован сферой его применения. Так, в автомобилях целесообразно использовать

относительно дешевые кислотные аккумуляторные батареи, и то, что они достаточно тяжелые, не является существенным фактором. А вот источники тока для мобильных телефонов должны быть легкими и безопасными, поэтому в них используют так называемые литийионные батареи, хотя они сравнительно дорогие.

Подводим итоги

Устройства, преобразующие разные виды энергии в электрическую энергию, называют источниками электрического тока.

В источниках электрического тока происходит разделение разноименных электрических зарядов, в результате чего на одном полюсе источника скапливается положительный заряд, на втором — отрицательный, а значит, создается электрическое поле.

В источниках электрического тока работа по разделению разноименных зарядов выполняется за счет механической, химической, тепловой и других видов энергии.

К химическим источникам электрического тока относятся гальванические элементы и аккумуляторы. Гальванический элемент — химический источник электрического тока одноразового использования. Аккумулятор — химический источник электрического тока многоразового использования.

Контрольные вопросы    —

1. Какие устройства называют источниками электрического тока? 2. Какие процессы происходят в источниках электрического тока? 3. Почему для разделения разноименных зарядов необходимо выполнить работу? 4. За счет какой энергии может осуществляться разделение разноименных зарядов в источнике электрического тока? 5. Какие источники электрического тока вы знаете? Приведите примеры их использования в технике.

Упражнение № 25

1.    Какие преобразования энергии происходят: а) при зарядке аккумулятора? б) во время работы аккумулятора?

2.    Как на двух электроскопах, соединенных металлическим проводником (см. рис. 23.1, б), поддерживать противоположные по знаку электрические заряды?

3.    Какие преобразования энергии происходят во время работы гидроэлектростанции?

4.    Изменится ли действие простейшего гальванического элемента (см. рис. 25.5), если для его изготовления взять пластинки из одинакового металла?

5.    Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, какие наблюдения и опыты Л. Гальвани подтолкнули А. Вольту к созданию химического источника электрического тока.

6.    Общая мощность генераторов Днестровской гидроэлектростанции равна 702 МВт, КПД — 92 %; высота падения воды — 54 м. Определите массу воды, падающей с плотины за минуту.

. Экспериментальное задание

«Фруктовая батарейка». Возьмите лимон, медную монету (или провод), железный гвоздь и изготовьте из этих предметов гальванический элемент. Схематически изобразите его устройство, укажите названия основных элементов. Если у вас есть тестер (мультиметр), убедитесь, что ваш источник тока работает. Если тестера нет, принесите устройство в школу и проверьте его с помощью гальванометра. Подумайте, каким фруктом или овощем можно заменить лимон.