Файл: Общая физика.docx

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Санкт-Петербургский горный университет»

Кафедра общей и технической физики


ОБЩАЯ ФИЗИКА


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

ЗАВИСИМОСТЬ МОЩНОСТИ

И КПД ИСТОЧНИКА ТОКА

ОТ НАГРУЗКИ

Методические указания к лабораторной работе

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2023

Цель работы: 1. Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока. 2. Исследование зависимости полезной и полной мощности источника тока. 3. Определение зависимости КПД источника тока от сопротивления нагрузки.

1. Введение

В 1786 г профессор медицины Болонского университета Луиджи Гальвани обнаружил явление, при котором происходило сокращение мышц лапок лягушки, закрепленных на медных крючках, при прикосновении к ним стального скальпеля (рис. 1). Очевидно, что в этом случае при контакте разнородных металлов возникал электрический ток. Но, сам Гальвани считал, что его наблюдения доказывали существование особого «животного электричества». Гальвани предполагал, что открыл некоторую форму особой «витальной силы», характерной только для живых существ.



Рис. 1. Иллюстрация опыта Гальвани

Итальянский физик и химик Алессандро Вольта, заинтересовавшись опытами Гальвани, решил, что причиной сокращения мышц лягушки является поток электрических зарядов, т.е. электрический ток. Чтобы доказать справедливость своей гипотезы Вольта заменил животную плоть деревянными опилками, размоченными в соленой воде. Он понял, что самыми главными элементами в опытах Гальвани были два металла, которые реагировали друг с другом, за счет чего электрический заряд переходил из одного металла в другой.

---

Этот эффект Вольта усилил, использовав в своей конструкции много биметаллических элементов, расположенных друг за другом в порядке чередования. Его первый «вольтов столб» представлял собой серебряные монеты, переложенные цинковыми дисками и разделенные сырыми древесными опилками.



Рис. 2. Устройство «вольтова столба»

В результате Вольта заменил лапку лягушки изобретенным им электрометром и повторил все опыты Гальвани. В 1800 г Вольта на заседании Лондонского королевского общества доложил о своем открытии, т.е. о создании первого в истории источника постоянного электрического тока.

В 1802 г русский физик В.В. Петров сконструировал на тот момент самую большую гальваническую батарею, состоявшую из 4200 медных и цинковых кружков диаметром 35 мм и толщиной 2,5 мм. Между дисками были размещены бумажные кружки, пропитанные раствором нашатыря. Можно предположить, что такая батарея давала напряжение около 1500 В. Петров исследовал свойства своей батареи как источника тока и доказал, что ее действие основано на химических процессах между металлами и электролитом. Созданную им батарею Петров использовал для получения электрической дуги.

2. Типы источников постоянного тока

Изобретение Вольта означало впервые в истории создание гальванического источника питания. Гальванические источники тока − это устройства, в которых в электролитический раствор помещены два электрода из разных металлов. Разность электрохимических потенциалов металлов определяет ЭДС элемента. Электрохимические потенциалы зависят не только от металлов, но и от свойств раствора и концентрации ионов металла в растворе.

Таким образом, в гальванических источниках химическая энергия напрямую преобразуются в электрическую (рис. 3). Реагенты, входящие в состав источника, расходуются в процессе его работы, поэтому, когда они полностью израсходуются, источник прекратит свою работу.


Рис. 3. Устройство гальванического элемента

На сегодняшний день широко используются марганцево-цинковые элементы, не содержащие жидкого раствора электролита (сухие элементы, батарейки). В них цинковый электрод служит катодом, электрод из смеси диоксида марганца с графитом служит анодом. Роль электролита в них выполняют: паста из раствора хлорида аммония с добавкой крахмала в качестве загустителя или паста на основе гидроксида калия. Марганцево-цинковые элементы обладают большей емкостью и обеспечивают устойчивую работу при больших токах нагрузки.

---

Гальванические элементы используются в системе сигнализации, фонарях, часах, калькуляторах, аудиосистемах, игрушках, радио, пультах дистанционного управления, компьютерах и т.п.

Наряду с гальваническими элементами, которые называются первичными, широко применяются вторичные источники тока (аккумуляторы). Аккумуляторы − это устройства, в которых электрическая энергия внешнего источника тока превращается в химическую энергию и может накапливаться, а химическая − снова превращается в электрическую. Следовательно, электрический аккумулятор − это химический источник тока многоразового действия, который может быть вновь заряжен после разряда (рис. 4). Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции.


Рис. 4. Устройство свинцово-кислотного аккумулятора автомобиля

Первый прообраз аккумулятора, который можно было многократно заряжать, был создан в 1803 г Иоганном Риттером. Его аккумуляторная батарея представляла собой столб из пятидесяти медных кружочков, между которыми было проложено влажное сукно. После пропускания через данное устройство тока от вольтова столба оно само начинало вести себя как источник электричества.

Таким образом, при перезарядке аккумулятора через него пропускают ток от внешнего источника. Многие реакции, используемые в первичных гальванических элементах непригодны для аккумуляторов даже в случае их обратимости, так как цикл разряд − заряд может изменить состояние электродов.

Одним из наиболее распространенных аккумуляторов является свинцовый (или кислотный). Электролитом в нем является 25−30 % раствор серной кислоты. Электродами кислотного аккумулятора являются свинцовые решетки, заполненные оксидом свинца, который при взаимодействии с электролитом превращается в сульфат свинца PbSO₄. При работе этой конструкции аккумулятора, пластинки из-за действия серной кислоты выделяют сульфат свинца, в результате чего образуется электрический ток. Также выделяется вода, и поэтому концентрация электролита уменьшается по плотности. Во время зарядки аккумулятора процесс осуществляется в обратном порядке, свинец снова обретает металлическую форму, электролит становится более концентрированным. Принцип работы аккумулятора основан на методе двойной сульфатации, который позволяет полностью восстанавливать первоначальные свойства аккумулятора.

---

Также существуют щелочные аккумуляторы: наибольшее применение получили никель-кадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы, в которых электролитом служит гидроксид калия (KOH). Также используются цинк-серебряные, цинк-воздушные и марганцевые электроды.

В современных электронных устройствах (мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки), в основном, применяются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы, характеризующиеся высокой емкостью и надежностью (рис. 5). Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделенных пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который внедряется в кристаллическую решетку других материалов (например, в графит, оксиды и соли металлов) с образованием химической связи (в графит с образованием LiC₆, оксиды (LiMO₂) и соли (LiMRON) металла). Литий-ионные аккумуляторы на сегодняшний день являются самыми распространенными. Именно они используются во всех современных электронных устройствах, включая электромобили.



Рис. 5. Литий-ионный аккумулятор форм-фактора 18650

Алюминий-ионный аккумулятор состоит из металлического алюминиевого анода, катода из графита в виде пены и жидкого ионного невоспламеняющегося электролита. Такая батарея работает по принципу электрохимического осаждения: происходит растворение алюминия на аноде, далее в среде жидкого электролита анионы хлоралюмината проникают в графит. Количество возможных перезарядок подобной батареи может превышать 7,5 тыс. циклов без потери мощности.

Аккумуляторы используются для запуска автомобильных двигателей; возможно так же их применение в качестве временных источников электроэнергии в местах, удаленных от населенных пунктов.

Два и более аккумулятора для повышения напряжения, тока, мощности или надежности могут быть электрически соединены в аккумуляторную батарею. Так, например, автомобильный аккумулятор состоит из шести отдельных аккумуляторов, дающих напряжение по 2 В каждый. Таким образом, суммарное напряжение аккумулятора равно 12 В.

3. Основные характеристики источников постоянного тока

К основным характеристикам источников постоянного тока можно отнести:

---

‑ электродвижущую силу (ЭДС);

‑ емкость;

‑ энергию, которую он может отдать во внешнюю цепь;

‑ сохраняемость;

‑ температурный режим.

Электродвижущая сила (ЭДС) источника зависит от материала электродов и химического состава электролита и не зависит от размеров электродов и количества электролита. ЭДС описывается термодинамическими функциями протекающих электрохимических процессов.

Электрическая емкость источника − это количество электричества, которое источник тока отдает при разряде в течение определенного времени. Емкость зависит от массы реагентов, запасенных в источнике, и степени их химического превращения. Номинальная емкость элемента означает способность накапливать и отдавать электроэнергию постоянного тока во внешнюю цепь, и определяет время автономной работы элемента. Емкость элемента снижается с понижением температуры или увеличением разрядного тока. За емкость аккумулятора чаще всего принимают количество электричества равное 1 Кл, при силе тока 1 А в течение 1 с. Поэтому на аккумуляторе написано количество электричества Q, которое он выдает при определенном токе разряда и определенном времени его прохождения.

Энергия элемента численно равна произведению его емкости на напряжение. С увеличением количества вещества реагентов в элементе и до определенного предела, с увеличением температуры, энергия возрастает. Энергия аккумулятора уменьшается при увеличении разрядного тока.

Сохраняемость − это срок хранения элемента, в течение которого его характеристики остаются в заданных пределах. Сохраняемость элемента уменьшается с ростом температуры хранения.

Температурный режим определяет работоспособность аккумуляторов при значительных перепадах температур. Не следует использовать аккумуляторы при температурах выше +50°С и ниже −25°С. Нарушение температурного режима может привести к сокращению срока службы или потере работоспособности. Поэтому аккумуляторы следует беречь от огня и воды, чрезмерного нагревания и охлаждения, и резких перепадов температур.

Теперь остановимся подробнее на основных физических характеристиках источников постоянного тока.

При прохождении электрического тока по замкнутой цепи, заряженные частицы (электроны) перемещаются не только во внешних поводах и нагрузке, но и внутри самого источника тока. Поэтому в замкнутой электрической цепи различают внешний и внутренний участки. Внешний участок цепи составляет вся та совокупность проводников, которая подсоединяется к полюсам источника тока и обозначается

---