זרם חשמלי, מקורות זרם חשמלי: הגדרה ומהות

2024 מְחַבֵּר: Henry Conors | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-02-12 07:29

מהלך הפיזיקה, כולם יודעים שזרם חשמלי פירושו תנועה מסודרת מכוונת של חלקיקים הנושאים מטען. כדי להשיג אותו, נוצר שדה חשמלי במוליך. אותו הדבר הכרחי כדי שהזרם החשמלי ימשיך להתקיים לאורך זמן.

מקורות לזרם חשמלי יכולים להיות:

• static;
• chemical;
• מכני;
• מוליכים למחצה.

בכל אחד מהם מתבצעת עבודה שבה מפרידים חלקיקים בעלי מטען שונה, כלומר נוצר שדה חשמלי של מקור זרם. בנפרד, הם מצטברים בקטבים, בנקודות החיבור של המוליכים. כאשר הקטבים מחוברים באמצעות מוליך, חלקיקים בעלי מטען מתחילים לנוע, ונוצר זרם חשמלי.

מקורות לזרם חשמלי: המצאת המכונה החשמלית

עד אמצע המאה השבע-עשרה, זה לקח הרבהמַאֲמָצִים. במקביל, מספר המדענים העוסקים בנושא זה הולך וגדל. וכך המציא אוטו פון גריקה את המכונית החשמלית הראשונה בעולם. באחד הניסויים עם גופרית, היא, שהומסה בתוך כדור זכוכית חלול, התקשה ושברה את הזכוכית. Guericke חיזק את הכדור כך שניתן היה לסובב אותו. סובב אותו ולחץ על פיסת עור, הוא קיבל ניצוץ. החיכוך הזה הקל מאוד על ייצור חשמל לטווח קצר. אבל בעיות קשות יותר נפתרו רק עם התפתחות נוספת של המדע.

הבעיה הייתה שהטענות של Guerike נעלמו במהירות. כדי להאריך את משך ההטענה, הונחו הגופות בכלים סגורים (בקבוקי זכוכית), והחומר המחושמל היה מים עם מסמר. הניסוי עבר אופטימיזציה כאשר הבקבוק היה מכוסה משני הצדדים בחומר מוליך (יריעות נייר כסף, למשל). כתוצאה מכך, הם הבינו שאפשר להסתדר בלי מים.

רגלי צפרדע כמקור כוח

דרך נוספת לייצר חשמל התגלתה לראשונה על ידי לואיג'י גלווני. בתור ביולוג, הוא עבד במעבדה שבה התנסו בחשמל. הוא ראה כיצד רגלה של צפרדע מתה מתכווצת כשהיא נרגשת מניצוץ ממכונה. אבל יום אחד, אותה השפעה הושגה במקרה כאשר מדען נגע בה עם אזמל פלדה.

הוא התחיל לחפש את הסיבות שבגללן הגיע הזרם החשמלי. מקורות הזרם החשמלי, לפי מסקנתו הסופית, היו ברקמות הצפרדע.

איטלקי אחר, אלסנדרו וולטו, הוכיח את הכישלון של אופי ה"צפרדע" של הזרם. נצפה כי הזרם הגדול ביותרנוצר כאשר הוסיפו נחושת ואבץ לתמיסה של חומצה גופרתית. שילוב זה נקרא תא גלווני או כימי.

אבל השימוש בכלי כזה כדי להשיג EMF יהיה יקר מדי. לכן, מדענים עבדו על דרך אחרת, מכנית, להפקת אנרגיה חשמלית.

איך פועל גנרטור רגיל?

בתחילת המאה התשע-עשרה, G. H. אורסטד גילה שכאשר זרם עבר דרך מוליך, נוצר שדה ממקור מגנטי. קצת מאוחר יותר, פאראדיי גילה שכאשר קווי הכוח של השדה הזה חוצים, מושרה EMF במוליך, שגורם לזרם. EMF משתנה בהתאם למהירות התנועה ולמוליכים עצמם, כמו גם על עוצמת השדה. כאשר חוצים מאה מיליון קווי כוח בשנייה, ה-EMF המושרה הפך להיות שווה לוולט אחד. ברור שהולכה ידנית בשדה מגנטי אינה מסוגלת לייצר זרם חשמלי גדול. מקורות זרם חשמלי מסוג זה הראו את עצמם בצורה יעילה הרבה יותר על ידי פיתול החוט על סליל גדול או ייצורו בצורה של תוף. הסליל הותקן על פיר בין מגנט למים או קיטור מסתובבים. מקור זרם מכני כזה טבוע בגנרטורים קונבנציונליים.

Great Tesla

המדען המבריק מסרביה ניקולה טסלה, לאחר שהקדיש את חייו לחשמל, גילה תגליות רבות שאנו משתמשים בהן עד היום. מכונות חשמליות פוליפאזיות, מנועים חשמליים אסינכרוניים, העברת כוח באמצעות זרם חילופין רב-פאזי - זו לא כל הרשימה.המצאות של המדען הגדול.

רבים מאמינים שהתופעה בסיביר, המכונה מטאוריט טונגוסקה, נגרמה למעשה על ידי טסלה. אבל, אולי, אחת ההמצאות המסתוריות ביותר היא שנאי המסוגל לקבל מתח של עד חמישה עשר מיליון וולט. יוצא דופן הוא גם המכשיר שלו וגם החישובים שאינם נכנעים לחוקים ידועים. אבל באותם ימים החלו לפתח טכנולוגיית ואקום, שבה לא היו אי בהירות. לכן, המצאתו של המדען נשכחה לזמן מה.

אבל היום, עם כניסתה של הפיזיקה התיאורטית, יש עניין מחודש בעבודתו. האתר הוכר כגז, שעליו חלים כל חוקי מכניקת הגז. משם שאב טסלה אנרגיה. ראוי לציין כי תורת האתר הייתה נפוצה מאוד בעבר בקרב מדענים רבים. רק עם הופעתה של SRT - תורת היחסות המיוחדת של איינשטיין, שבה הפריך את קיומו של האתר - היא נשכחה, אם כי התיאוריה הכללית שנוסחה מאוחר יותר לא חלקה עליה ככזו.

אבל לעת עתה, בואו נתעכב על הזרם החשמלי ועל המכשירים שנמצאים בכל מקום היום.

פיתוח מכשירים טכניים - מקורות עדכניים

מכשירים כאלה משמשים להמרת אנרגיה שונה לאנרגיה חשמלית. למרות העובדה ששיטות פיזיקליות וכימיות להפקת אנרגיה חשמלית התגלו לפני זמן רב, הן נפוצו רק במחצית השנייה של המאה העשרים, אז החלה להתפתח במהירות.אלקטרוניקה רדיו. חמשת הזוגות הגלווניים המקוריים התחדשו ב-25 סוגים נוספים. ותיאורטית, יכולים להיות כמה אלפי זוגות גלווניים, מכיוון שניתן לממש אנרגיה חופשית על כל מחמצן ומפחית.

מקורות נוכחיים פיזיים

מקורות זרם פיזיים החלו להתפתח מעט מאוחר יותר. הטכנולוגיה המודרנית עשתה דרישות מחמירות יותר ויותר, וגנרטורים תרמיים ותרמיים תעשייתיים התמודדו בהצלחה עם המשימות הגוברת. מקורות זרם פיזי הם מכשירים שבהם אנרגיית תרמית, אלקטרומגנטית, מכנית וקרינה וריקבון גרעיני מומרת לאנרגיה חשמלית. בנוסף לאמור לעיל, הם כוללים גם מכונות חשמליות, גנרטורים MHD, וכן כאלה המשמשים להמרת קרינת השמש והתפרקות אטומית.

כדי שהזרם החשמלי במוליך לא ייעלם, יש צורך במקור חיצוני לשמירה על הפרש הפוטנציאלים בקצוות המוליך. לשם כך, נעשה שימוש במקורות אנרגיה שיש להם כוח אלקטרו-מוטיבי כלשהו כדי ליצור ולשמור על הבדל פוטנציאלי. EMF של מקור זרם חשמלי נמדד על ידי העבודה שנעשתה על ידי העברת מטען חיובי לאורך מעגל סגור.

התנגדות בתוך מקור זרם מאפיינת אותו באופן כמותי, וקובעת את כמות אובדן האנרגיה בעת מעבר דרך המקור.

הספק ויעילות שווים ליחס בין המתח במעגל החשמלי החיצוני ל-EMF.

מקורות כימייםנוכחי

מקור זרם כימי במעגל חשמלי EMF הוא מכשיר שבו האנרגיה של תגובות כימיות מומרת לאנרגיה חשמלית.

הוא מבוסס על שתי אלקטרודות: חומר מחמצן בעל מטען שלילי וחומר מחמצן בעל מטען חיובי, שנמצאים במגע עם האלקטרוליט. נוצר הבדל פוטנציאל בין האלקטרודות, EMF.

מכשירים מודרניים משתמשים לעתים קרובות ב:

• כחומר מפחית - עופרת, קדמיום, אבץ ואחרים;
• oxidant - ניקל הידרוקסיד, תחמוצת עופרת, מנגן ואחרים;
• אלקטרוליט - תמיסות של חומצות, אלקליות או מלחים.

תאי אבץ ומנגן יבשים נמצאים בשימוש נרחב. נלקח כלי עשוי אבץ (בעל אלקטרודה שלילית). אלקטרודה חיובית ממוקמת בפנים עם תערובת של מנגן דו חמצני עם אבקת פחמן או גרפיט, מה שמפחית את ההתנגדות. האלקטרוליט הוא משחה של אמוניה, עמילן ורכיבים אחרים.

סוללת עופרת היא לרוב מקור זרם כימי משני במעגל חשמלי, עם הספק גבוה, פעולה יציבה ועלות נמוכה. סוללות מסוג זה משמשות במגוון תחומים. לעתים קרובות הם מועדפים עבור סוללות מתנע, שהן יקרות במיוחד במכוניות שבהן יש להן בדרך כלל מונופול.

סוללה נפוצה נוספת מורכבת מברזל (אנודה), ניקל אוקסיד הידרט (קתודה) ואלקטרוליט - תמיסה מימית של אשלגן או נתרן. החומר הפעיל מונח בצינורות פלדה מצופים ניקל.

השימוש במין זה ירד לאחר השריפה במפעל אדיסון ב-1914. עם זאת, אם נשווה את המאפיינים של הסוללות מהסוג הראשון והשני, מתברר שפעולת הברזל-ניקל יכולה להיות ארוכה פי כמה מאשר חומצה עופרת.

גנרטורים DC ו-AC

גנרטורים הם מכשירים שמטרתם להמיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית.

את מחולל ה-DC הפשוט ביותר ניתן לייצג כמסגרת של מוליך, שהוצבה בין הקטבים המגנטיים, והקצוות מחוברים לחצאי טבעות מבודדות (קולט). כדי שהמכשיר יעבוד, יש צורך להבטיח את סיבוב המסגרת עם האספן. אז יושרה בו זרם חשמלי, שישנה את כיוונו בהשפעת קווי שדה מגנטי. בשרשרת החיצונית, זה ילך לכיוון יחיד. מסתבר שהקולט יתקן את זרם החילופין שנוצר מהמסגרת. כדי להשיג זרם קבוע, הקולט עשוי משלושים ושש לוחות או יותר, והמוליך מורכב ממסגרות רבות בצורת פיתול אבזור.

בואו נבחן מהי מטרת מקור הזרם במעגל החשמלי. בואו לגלות אילו מקורות קיימים אחרים קיימים.

מעגל חשמלי: זרם חשמלי, חוזק זרם, מקור זרם

מעגל חשמלי מורכב ממקור זרם, אשר יחד עם עצמים אחרים, יוצר נתיב לזרם. והמושגים של EMF, זרם ומתח חושפים את התהליכים האלקטרומגנטיים המתרחשים במקרה זה.

המעגל החשמלי הפשוט ביותר מורכב ממקור זרם (סוללה, תא גלווני, גנרטור וכן הלאה), צרכני אנרגיה (תנורי חימום חשמליים, מנועים חשמליים וכו'), וכן חוטים המחברים את המסופים של המתח המקור והצרכן.

למעגל החשמלי יש חלקים פנימיים (מקור חשמל) וחיצוניים (חוטים, מתגים ומתגים, מכשירים למדידה).

זה יעבוד ויהיה בעל ערך חיובי רק אם מסופק מעגל סגור. כל הפסקה גורמת להפסקת זרימת הזרם.

המעגל החשמלי מורכב ממקור זרם בצורה של תאים גלווניים, מצברים חשמליים, גנרטורים אלקטרו-מכניים ותרמו-אלקטריים, תאים פוטו וכדומה.

מנועים חשמליים פועלים כמקלטים חשמליים, הממירים אנרגיה למכשירי תאורה, תאורה וחימום, מפעלי אלקטרוליזה וכן הלאה.

ציוד עזר הם מכשירים המשמשים להפעלה וכיבוי, מכשירי מדידה ומנגנוני הגנה.

כל הרכיבים מחולקים ל:

• פעיל (כאשר המעגל החשמלי מורכב ממקור זרם EMF, מנועים חשמליים, סוללות וכן הלאה);
• פאסיבי (הכולל מקלטים חשמליים וחיווט חיבור).

Chain יכולה להיות גם:

• לינארית, כאשר ההתנגדות של האלמנט מאופיינת תמיד בקו ישר;
• לא ליניארי, שבו ההתנגדות תלויהמתח או זרם.

הנה המעגל הפשוט ביותר, שבו מקור זרם, מפתח, מנורה חשמלית, ריאוסטט כלולים במעגל.

למרות הנפוצות של מכשירים טכניים כאלה, במיוחד בתקופה האחרונה, אנשים שואלים יותר ויותר שאלות לגבי התקנת מקורות אנרגיה חלופיים.

מגוון מקורות אנרגיה חשמלית

אילו מקורות זרם חשמלי עדיין קיימים? זה לא רק השמש, הרוח, האדמה והשפל. הם כבר הפכו למה שנקרא מקורות חשמל חלופיים רשמיים.

אני חייב לומר שיש הרבה מקורות חלופיים. הם לא נפוצים, כי הם עדיין לא מעשיים ונוחים. אבל מי יודע, אולי העתיד יהיה מאחוריהם.

לכן, ניתן לקבל אנרגיה חשמלית ממי מלח. נורבגיה כבר בנתה תחנת כוח באמצעות הטכנולוגיה הזו.

תחנות כוח יכולות לפעול גם על תאי דלק עם אלקטרוליט תחמוצת מוצק.

ידוע שגנרטורים פיזואלקטריים מופעלים על ידי אנרגיה קינטית (שבילים, מהמורות מהירות, קרוסלות ואפילו רחבות ריקודים כבר קיימים עם הטכנולוגיה הזו).

ישנם גם ננו-גנרטורים שמטרתם להמיר אנרגיה בגוף האדם לאנרגיה חשמלית.

ומה לגבי אצות המשמשות לחימום בתים, חרבות כדורגל שמייצרותאנרגיה חשמלית, אופניים שיכולים להטעין גאדג'טים, ואפילו נייר חתוך דק המשמש כמקור כוח?

סיכויים ענקיים, כמובן, שייכים לפיתוח אנרגיה געשית.

כל זה הוא המציאות של היום, שעליה עובדים מדענים. ייתכן שחלק מהן יהפכו בקרוב לנחלת הכלל, כמו חשמל בבתים כיום.

אולי מישהו יגלה את סודותיו של המדען ניקולה טסלה, והאנושות תוכל לקבל בקלות חשמל מהאתר?