La corriente eléctrica en el conductor surge bajo la influencia de un campo eléctrico, lo que fuerza a las partículas con carga libre a entrar en movimiento dirigido. Crear una corriente de partículas es un problema serio. Construir un dispositivo de este tipo que mantenga la diferencia de potencial del campo durante mucho tiempo en un estado es una tarea que la humanidad solo podría resolver a fines del siglo XVIII.
Primeros intentos
Los primeros intentos de "acumular electricidad" para su posterior investigación y uso se realizaron en Holanda. El alemán Ewald Jurgen von Kleist y el holandés Peter van Muschenbrook, que realizaron sus investigaciones en la ciudad de Leiden, crearon el primer condensador del mundo, más tarde llamado "frasco de Leyden".
La acumulación de carga eléctrica ya ha tenido lugar bajo la acción de la fricción mecánica. Era posible utilizar una descarga a través de un conductor durante un cierto período de tiempo bastante corto.
La victoria de la mente humana sobre una sustancia tan efímera como la electricidad resultó revolucionaria.
Desgraciadamente, descarga (corriente eléctrica generada por un condensador)duraba tan poco que no podía crear una corriente continua. Además, la tensión suministrada por el condensador se reduce gradualmente, lo que hace imposible recibir una corriente continua.
Debería haber buscado otra manera.
Primera fuente
Los experimentos de "electricidad animal" del italiano Galvani fueron un intento original de encontrar una fuente natural de corriente en la naturaleza. Colgando las patas de ranas diseccionadas en ganchos metálicos de una celosía de hierro, llamó la atención sobre la reacción característica de las terminaciones nerviosas.
Sin embargo, otro italiano, Alessandro Volta, refutó las conclusiones de Galvani. Interesado en la posibilidad de obtener electricidad a partir de organismos animales, realizó una serie de experimentos con ranas. Pero su conclusión resultó ser completamente opuesta a las hipótesis anteriores.
Volta llamó la atención sobre el hecho de que un organismo vivo es solo un indicador de una descarga eléctrica. Cuando pasa la corriente, los músculos de las piernas se contraen, lo que indica una diferencia de potencial. La fuente del campo eléctrico era el contacto de metales diferentes. Cuanto más separados estén en una serie de elementos químicos, mayor será el efecto.
Placas de diferentes metales, colocadas con discos de papel empapados en una solución electrolítica, crearon la diferencia de potencial necesaria durante mucho tiempo. Y que sea bajo (1,1 V), pero la corriente eléctrica podría investigarse durante mucho tiempo. Lo principal es que el voltaje se mantuvo sin cambios durante el mismo tiempo.
Qué está pasando
¿Por qué las fuentes llamadas "células galvánicas" provocan tal efecto?
Dos electrodos metálicos colocados en un dieléctrico juegan diferentes roles. Uno suministra electrones, el otro los acepta. El proceso de reacción redox da lugar a la aparición de un exceso de electrones en un electrodo, que se denomina polo negativo, y una deficiencia en el segundo, lo denominaremos polo positivo de la fuente.
En las celdas galvánicas más simples, las reacciones de oxidación ocurren en un electrodo y las reacciones de reducción ocurren en el otro. Los electrones llegan a los electrodos desde el exterior del circuito. El electrolito es el conductor de corriente de los iones dentro de la fuente. La fuerza de la resistencia gobierna la duración del proceso.
Elemento cobre-zinc
Es interesante considerar el principio de funcionamiento de las celdas galvánicas usando el ejemplo de una celda galvánica de cobre-zinc, cuya acción se debe a la energía del zinc y el sulfato de cobre. En esta fuente, se coloca una placa de cobre en una solución de sulfato de cobre y se sumerge un electrodo de zinc en una solución de sulfato de zinc. Las soluciones están separadas por un espaciador poroso para evitar que se mezclen, pero deben estar en contacto.
Si el circuito está cerrado, la capa superficial de zinc se oxida. En el proceso de interacción con el líquido, los átomos de zinc, que se han convertido en iones, aparecen en la solución. Se liberan electrones en el electrodo, que pueden participar en la generación de corriente.
Al llegar al electrodo de cobre, los electrones participan en la reacción de reducción. Desdesolución, los iones de cobre entran en la capa superficial, en el proceso de reducción se convierten en átomos de cobre, depositándose en la placa de cobre.
Para resumir lo que está sucediendo: el proceso de funcionamiento de una celda galvánica va acompañado de la transferencia de electrones del agente reductor al agente oxidante a lo largo de la parte exterior del circuito. Las reacciones tienen lugar en ambos electrodos. Una corriente de iones fluye dentro de la fuente.
Dificultad de uso
En principio, cualquiera de las posibles reacciones redox se puede utilizar en las baterías. Pero no hay tantas sustancias capaces de trabajar en elementos técnicamente valiosos. Además, muchas reacciones requieren sustancias caras.
Las baterías modernas tienen una estructura más simple. Dos electrodos colocados en un electrolito llenan el recipiente: la caja de la batería. Tales características de diseño simplifican la estructura y reducen el costo de las baterías.
Cualquier celda galvánica es capaz de producir corriente continua.
La resistencia de la corriente no permite que todos los iones estén en los electrodos al mismo tiempo, por lo que el elemento funciona durante mucho tiempo. Las reacciones químicas de formación de iones tarde o temprano se detienen, el elemento se descarga.
La resistencia interna de una fuente de corriente es importante.
Un poco sobre la resistencia
El uso de la corriente eléctrica, sin duda, llevó el progreso científico y tecnológico a un nuevo nivel, le dio un gran impulso. Pero la fuerza de la resistencia al flujo de corriente se interpone en el camino de dicho desarrollo.
Por un lado, la corriente eléctrica tiene propiedades invaluables que se utilizan en la vida cotidiana y la tecnología, por otro lado, existe una oposición significativa. La física, como ciencia de la naturaleza, trata de lograr un equilibrio, de alinear estas circunstancias.
La resistencia actual surge debido a la interacción de las partículas cargadas eléctricamente con la sustancia a través de la cual se mueven. Es imposible excluir este proceso en condiciones normales de temperatura.
Resistencia
La resistencia interna de la fuente de corriente y la resistencia de la parte externa del circuito son de naturaleza ligeramente diferente, pero el trabajo realizado para mover la carga es el mismo en estos procesos.
El trabajo en sí depende únicamente de las propiedades de la fuente y su contenido: las cualidades de los electrodos y del electrolito, así como de las partes externas del circuito, cuya resistencia depende de los parámetros geométricos y químicos características del material. Por ejemplo, la resistencia de un alambre de metal aumenta con el aumento de su longitud y disminuye con la expansión del área de la sección transversal. Al resolver el problema de cómo reducir la resistencia, la física recomienda utilizar materiales especializados.
Actual de trabajo
De acuerdo con la ley de Joule-Lenz, la cantidad de calor liberado en los conductores es proporcional a la resistencia. Si designamos la cantidad de calor como Qint., la fuerza de la corriente I, el tiempo de su flujo t, entonces obtenemos:
Qint=I2 · r t,
donde r es la resistencia interna de la fuenteactual.
En todo el circuito, tanto en su parte interna como externa, se liberará la cantidad total de calor, cuya fórmula es:
Qcompleto=I2 · r t + I 2 R t=I2 (r +R) t,
Se sabe cómo se denota la resistencia en física: un circuito externo (todos los elementos excepto la fuente) tiene una resistencia R.
Ley de Ohm para un circuito completo
Tenga en cuenta que el trabajo principal lo realizan fuerzas externas dentro de la fuente de corriente. Su valor es igual al producto de la carga transportada por el campo y la fuerza electromotriz de la fuente:
q E=I2 (r + R) t.
sabiendo que la carga es igual al producto de la fuerza de la corriente y el tiempo de su flujo, tenemos:
E=Yo (r + R)
Según las relaciones de causa y efecto, la ley de Ohm tiene la forma:
I=E: (r + R)
La corriente en un circuito cerrado es directamente proporcional a la FEM de la fuente de corriente e inversamente proporcional a la resistencia total (total) del circuito.
Con base en este patrón, es posible determinar la resistencia interna de la fuente de corriente.
Capacidad de descarga de la fuente
La capacidad de descarga también se puede atribuir a las principales características de las fuentes. La cantidad máxima de electricidad que se puede obtener cuando se opera bajo ciertas condiciones depende de la intensidad de la corriente de descarga.
En el caso ideal, cuando se hacen ciertas aproximaciones, la capacidad de descarga puede considerarse constante.
KPor ejemplo, una batería estándar con una diferencia de potencial de 1,5 V tiene una capacidad de descarga de 0,5 Ah. Si la corriente de descarga es de 100 mA, funcionará durante 5 horas.
Métodos para cargar baterías
La explotación de las baterías conduce a su descarga. La restauración de baterías, la carga de celdas pequeñas se realiza utilizando una corriente cuyo valor de fuerza no exceda una décima parte de la capacidad de la fuente.
Los siguientes métodos de carga están disponibles:
- utilizando corriente constante durante un tiempo específico (alrededor de 16 horas de corriente 0,1 capacidad de la batería);
- cargar con una corriente reductora a un valor de diferencia de potencial predeterminado;
- uso de corrientes desequilibradas;
- aplicación sucesiva de pulsos cortos de carga y descarga, en los que el tiempo del primero supera al tiempo del segundo.
Trabajo práctico
Se propone la tarea: determinar la resistencia interna de la fuente de corriente y EMF.
Para realizarlo, debe abastecerse de una fuente de corriente, un amperímetro, un voltímetro, un reóstato deslizante, una llave, un juego de conductores.
Usar la ley de Ohm para un circuito cerrado determinará la resistencia interna de la fuente de corriente. Para hacer esto, necesita conocer su EMF, el valor de la resistencia del reóstato.
La fórmula de cálculo de la resistencia actual en la parte exterior del circuito se puede determinar a partir de la ley de Ohm para la sección del circuito:
I=T: R,
donde I es la intensidad de la corriente en la parte exterior del circuito, medida con un amperímetro; U - voltaje en el externoresistencia.
Para mejorar la precisión, las mediciones se toman al menos 5 veces. ¿Para qué sirve? El voltaje, la resistencia, la corriente (o más bien, la intensidad de la corriente) medidos durante el experimento se utilizan a continuación.
Para determinar la FEM de la fuente de corriente, usamos el hecho de que el voltaje en sus terminales con la llave abierta es casi igual a la FEM.
Montemos un circuito a partir de una batería, un reóstato, un amperímetro, una llave conectada en serie. Conectamos un voltímetro a los terminales de la fuente de corriente. Habiendo abierto la llave, tomamos sus lecturas.
La resistencia interna, cuya fórmula se obtiene de la ley de Ohm para un circuito completo, se determina mediante cálculos matemáticos:
- I=E: (r + R).
- r=E: Yo – U: Yo.
Las mediciones muestran que la resistencia interna es mucho menor que la externa.
La función práctica de las pilas y baterías recargables es ampliamente utilizada. La seguridad ambiental indiscutible de los motores eléctricos está fuera de toda duda, pero crear una batería ergonómica y de gran capacidad es un problema de la física moderna. Su solución conducirá a una nueva ronda en el desarrollo de la tecnología automotriz.
Las baterías pequeñas, livianas y de alta capacidad también son esenciales en los dispositivos electrónicos móviles. La cantidad de energía utilizada en ellos está directamente relacionada con el rendimiento de los dispositivos.
