Что совершается в источнике тока
Виды источников тока
Источники тока используют для длительного поддержания электрического поля и получения электрического тока. Все они могут иметь различные принципы работы, внешний вид, конструкцию и размеры.
Источники тока – это устройства:
— способные создавать и поддерживать электрический ток;
— в них сторонние силы совершают работу по перемещению зарядов против электрических сил;
— а механическая, внутренняя, химическая или иная энергия превращается в электрическую.
Какие виды источников тока существуют
Энергия не может возникать из ничего. Об этом говорит закон сохранения энергии. Во всех без исключения источниках, электроэнергия создается за счет других ее видов.
В зависимости от того, какая именно энергия превращается в электрическую, выделяют такие виды (рис. 1) источников:
Рассмотрим подробнее эти виды.
Механические источники
Электрофорная машина – один из механических источников тока (рис. 2), применяемых более столетия.
С помощью этого устройства механическая энергия вращающихся дисков преобразовывается в электрическую энергию. При этом, происходит разделение положительных и отрицательных зарядов.
Превращение энергии вращения (механической) в энергию электрического тока происходит в различных генераторах.
В конструкции любого из них присутствуют элементы, создающие магнитное поле в пространстве вокруг проводника.
Например, электрический генератор для велосипеда (рис. 3), включает в себя кольцевой магнит и проволочную обмотку, расположенную рядом с ним.
Во время движения велосипеда магнит, расположенный внутри, вращается. Изменяющееся магнитное поле заставляет двигаться электроны по обмотке. Если к ее выводам подключить лампочку, она загорится, так как по цепи потечет электрический ток.
Мускульной силы человека хватает, чтобы зажечь лампочку для карманного фонаря. Однако, ее недостаточно, чтобы вырабатывать больше электроэнергии. Например, чтобы нагреть утюг и одновременно с этим зажечь несколько бытовых ламп накаливания.
Поэтому, для бытовых нужд и нужд промышленности в электрическую энергию превращают энергию сгорающего топлива, а не энергию сокращения мускул.
На тепловых, атомных и гидроэлектростанциях установлены мощные генераторы. Они могут отдавать потребителям токи в тысячи Ампер. А масса некоторых достигает десятков тонн.
На таких электростанциях превращение энергии происходит в несколько этапов. Сначала энергия горящего топлива превращается во внутреннюю энергию горячей воды, а затем — в механическую и, в конечном итоге, в электрическую.
Существуют, так же, устройства, предназначенные для бытового использования. Например, небольшие генераторы, массой в несколько килограммов, оснащенные бензиновым мотором (рис. 4).
Они, так же, преобразуют внутреннюю энергию топлива в механическую энергию вращения вала двигателя, который соединяется с генератором. А затем энергия вращения с помощью генератора превращается в электрическую энергию.
Тепловые источники
К тепловым относят различные термоэлементы. Термоэлемент — это прибор в котором, тепловая энергия, получаемая от нагревателя, превращается сначала во внутреннюю энергию вещества, а затем — в электрическую энергию.
Один из таких элементов называют термопарой (рис. 5). Термопара состоит из двух различных металлических проволок, спаянных вместе. Если нагреть место их соприкосновения, то на свободных концах проволочек можно обнаружить электрическое напряжение (ссылка).
Если свободные концы термопары присоединить к потребителю тока, то под действием тепловой энергии по замкнутой цепи побегут электроны, то есть, возникнет электрический ток.
Таким образом, эта незамысловатая конструкция преобразовывает внутреннюю энергию нагреваемых металлов в электрическую энергию.
Фотоэлектрические источники
Атомы некоторых веществ под действием видимого света способны терять электроны. Например, селен, кремний, оксиды цинка, меди, висмута. На основе этих и, некоторых других веществ создают источники, генерирующие электрический ток под действием (рис. 6) света.
Эти источники используют фотоэлектрический эффект (сокращенно — фотоэффект) (ссылка). В них энергия света преобразуется в электрическую.
Существует два вида фотоэффекта – внутренний, который используется в полупроводниках (ссылка) и внешний, используемый в вакуумных фотоэлементах на основе различных металлов.
Вакуумные фотоэлементы
В вакуумном фотоэлементе свет попадает на пластинку металла и выбивает электроны с ее поверхности. Такую пластинку называют катодом.
Выбитые электроны улавливаются другим электродом. Его называют анодом и обычно выполняют в виде металлической сетки.
Оба электрода находятся в стеклянном баллоне из которого удалили воздух. Дело в том, что молекулы воздуха могли бы помешать движению электронов, вылетевших из пластинки. Чтобы этого не происходило, воздух из баллона откачивают (рис. 7).
Таким образом, под воздействием света между катодом и анодом в вакууме возникает поток заряженных частиц. Они движутся направлено от катода к аноду. Значит, в фотоэлементе под действием света возникает электрический ток. Так световая энергия переходит в электрическую.
Солнечные батареи
Еще одним источником тока, в котором ток возникает за счет световой энергии, являются, так называемые, солнечные батареи. Их изготавливают из полупроводниковых пластин (рис. 8).
Падающий свет из полупроводника электроны не выбивает. А вызывает переход электронов в такое состояние, в котором у них появляется дополнительная энергия и они могут свободно передвигаться по полупроводнику, создавая электрический ток.
Химические источники
Если опустить два кусочка различных металлов (например, железа и меди) в емкость с проводящей жидкостью, можно получить химический источник тока.
В качестве проводящей жидкости можно использовать, например, лимонный сок. Воткнув в лимон два гвоздика из различных металлов (рис. 9) и подключив к ним гальванометр, можно обнаружить, что через гальванометр потечет электрический ток.
Такую конструкцию можно считать простейшим химическим источником тока. Гвоздики в нем — это электроды, а лимонная кислота – электролит.
Примечания:
Самым первым химических источником тока был Вольтов столб.
Алессандро Вольта и его первый гальванический элемент
Дело в том, что до исследований, проведенных А. Вольта, способ получить электрический ток был известен. Однако, эксперименты с электричеством, проводимые в лабораториях другими учеными, создавали ток всего на доли секунды. Источников, способных создавать ток, длившийся хотя бы единицы секунд, не существовало.
В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первый прибор, создававший электрический ток продолжительное время. Этот прибор в честь создателя называют Вольтовым столбом.
Ученый определил, что для получения гальванического (электрического) эффекта нужны два разных метала и проводящая жидкость.
Он длительное время потратил на эксперименты, использовал различные металлы и исследовал их свойства.
В процессе работы Вольта сделал вертикальный столбик, укладывая поочередно медные монеты и цинковые пластинки. Между металлами он укладывал кожаные кружочки, вымоченные в рассоле (рис. 10).
Так он создал первую в мире электрическую батарею. Принцип ее работы — превращение химической энергии в электрическую.
Соединяя проволокой два конца собранного столбика, он наблюдал ее нагревание и так определял действие электрического тока.
А чтобы сравнить, больше, или меньше электричества вырабатывал тот или иной столбик, Алессандро пользовался своим языком. Попросту, касался языком выводов созданного им гальванического элемента.
Такой столбик, при высоте, равной половине метра, вырабатывал напряжение, которое было довольно чувствительным.
В марте 1800 года Вольта направил письмо в Лондонское Королевское общество, в котором подробно описал результаты своей работы. А уже в июне оно было признано сенсационным среди ученых того времени.
Наполеон пригласил А. Вольта в Париж и лично присутствовал во время доклада и опыта, демонстрируемого им, а после наградил изобретателя.
Это изобретение сделало автора знаменитым. А благодаря ему в скором времени были совершены другие открытия в области физики.
Какие открытия были совершены благодаря столбу Вольта
В том же году с помощью Вольтова столба вода была разложена на водород и кислород. Это сделали Карлайл и Николсон.
А спустя три года, в 1803 году, Василий Петров создал самый большой в мире столб. Он выдавал напряжение 1700 вольт и содержал более 4000 медных и цинковых кругов. Этот столб помог получить электрическую дугу, которая применяется в электросварке металлов.
После работ Петрова в России стали применять электрические запалы для взрывчатых веществ.
А спустя еще четыре года, в 1807 году, ученым по фамилии Дэви был открыт металлический калий.
Благодаря способности Вольтова столба создавать электрический ток продолжительное время – в течение нескольких часов, началось широкое применение электричества.
По истечении этого времени, на металлах появлялся окисел, препятствующий выработке электрического тока. Нужно было разбирать конструкцию и протирать металлы, избавляя их от этого окисла. А кусочки кожи необходимо было время от времени смачивать рассолом.
Сухой гальванический элемент — батарейка
Значительно позже открытия Вольта, во второй половине 1880-х годов, инженером из Германии Карлом Гасснером был создан сухой гальванический элемент.
Сухим элемент был назван потому, что в качестве электролита в нем использовалась не жидкость, а гелеобразный состав. Такие элементы можно наклонять и даже переворачивать, не боясь пролить электролит. Поэтому, они значительно удобнее жидкостных.
Внутри элемента происходят химические превращения. Эти превращения являются экзотермическими, так как протекают с выделением энергии. Затем внутренняя энергия источника переходит в электрическую.
К примеру, в современном сухом гальваническом элементе (рис. 11), цинк реагирует с хлоридом аммония и при этом получает отрицательный электрический заряд.
Протекая, такие реакции вызывают расходование некоторых частей источника. Например, цинкового электрода.
Из-за этого, в гальванических элементах химические реакции будут необратимыми. Так как, спустя некоторое время, для нормального протекания химических превращений, не будет хватать ресурсов.
Когда скорость химических реакций замедляется, элемент перестает вырабатывать электрический ток. В таких случаях говорят, что элемент разрядился – «села батарейка».
Отработанные гальванические элементы нужно утилизировать. Это позволит использовать вновь некоторые их компоненты, а не загрязнять окружающую среду.
Мировая промышленность выпускает ассортимент стандартизированных элементов питания (рис. 12).
Например, тип АА – пальчиковая батарейка, или ААА – тонкая пальчиковая. Так же, существуют типоразмеры, обозначаемые C D и N. Они имеют ЭДС 1,5 Вольта.
Существуют другие и типы, например, «квадратная» батарейка 3R12, имеющая ЭДС 4,5 Вольт и используемая в карманных фонариках. А, так же, небольшая батарейка вида pp3 с ЭДС 9 Вольт, часто называемая «Крона» или «Корунд».
Гальванические элементы на электрических схемах обозначают специальными значками.
Аккумуляторы и их виды
Устройство аккумулятора внешне напоминает устройство гальванического элемента. Присутствует корпус, в котором находятся две пластины из разных металлов. Одна служит положительным электродом, а другая – отрицательным. Эти пластины помещены в электролит (рис. 13).
Однако, аккумуляторы, в отличие от гальванических элементов, являются многоразовыми устройствами.
Свое название они получили из-за того, что могут аккумулировать, то есть, накапливать электрическую энергию. А затем, отдавать накопленную энергию потребителям.
Химические реакции в аккумуляторах могут протекать в двух направлениях (зарядка — разрядка).
Перед использованием аккумулятор необходимо зарядить. Для этого используют специальные источники тока, которые называют зарядными устройствами. Они пропускают через аккумулятор ток зарядки.
Под воздействием этого тока в аккумуляторе протекают химические реакции, во время которых он накапливает электрические заряды. Один электрод заряжается положительно, а другой – отрицательно.
После, подключив к заряженному аккумулятору потребитель тока, можно использовать накопленную им энергию.
Называть аккумуляторы принято:
— по видам используемых жидкостей — кислотные, щелочные.
— либо по названию металлов, используемых в качестве электродов — свинцовые, железоникелевые, литиевые, и т. п.
В качестве пластин — электродов используют металлы: свинец, железо, литий, титан, кобальт, кадмий, никель, цинк, серебро, алюминий.
Существуют аккумуляторы с гелеобразным электролитом. Такие аккумуляторы можно наклонять в различные стороны, не боясь утечки электролита. Например, литий-полимерные батареи, используемые в мобильных телефонах.
Примечание: Чем больше геометрические размеры электродов источника, тем большую силу тока в полезной нагрузке он может обеспечить. Поэтому, аккумуляторы для автомобилей с ЭДС 12 и 24 Вольта, рассчитанные на большие токи нагрузки, имеют массу от 10 килограммов и большую.
Аналогия между источником тока и водяным насосом
Аналогию с потоком жидкости часто применяют по отношению к электрическому току.
Независимо от того, какой вид энергии превращается в электрическую, принцип работы источника тока чем-то напоминает работу водяного насоса. Различия в том, что источник тока перекачивает заряды, а не жидкость.
Рассмотрим замкнутый контур, состоящий из трубы и водяного насоса, который способен привести в движение воду, так, чтобы она начала циркулировать по трубе (рис. 14а).
Частицы воды будут двигаться и, ток воды будет циркулировать за счет разности давлений, которую будет создавать и поддерживать насос.
На рисунке 14 кружком с треугольником обозначен насос. Направление движения воды отмечено стрелкой. По левую сторону от насоса давление обозначено \(\large P_<1>\), по правую сторону — \(\large P_<2>\) (рис. 14а).
С помощью неравенства
отмечено, что давление слева от насоса будет больше давления справа.
Подобно движению частиц воды, заряды придут в движение и электрический ток будет циркулировать по замкнутой цепи за счет разности потенциалов, которую будет создавать включенная в эту цепь батарейка (рис. 14б) — источник тока.
Сила, перемещающая заряды во внешней цепи, появляется благодаря тому, что источник тока создает разность потенциалов на своих выводах и электрическое поле.
Слева и справа от источника отмечены потенциалы \(\large \varphi_<1>\) и \(\large \varphi_<2>\). При чем, потенциал слева от источника больше потенциала справа.
Это отмечено неравенством
\[\large \varphi_ <1>> \varphi_<2>\]
Обратите внимание: источник тока (сторонние силы) заставляет двигаться электроны – отрицательно заряженные частицы, от точки с меньшим потенциалом, в точку с потенциалом большим, а электрический ток направлен в противоположную сторону — от «+» к «-».
Разность потенциалов так же называют электрическим напряжением.
\[\large \Delta \varphi = \varphi_ <2>— \varphi_ <1>= U \]
\(\large \varphi \left( B \right) \) – потенциал, измеряется в Вольтах;
\(\large U \left( B \right) \) – напряжение, измеряется в Вольтах;
ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника.
Существуют различные виды источников тока:
Механический источник тока
— механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.
К ним относятся : электрофорная машина (диски машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щеток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака), динамо-машина, генераторы.
Тепловой источник тока
— внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.
Применяются в термодатчиках и на геотермальных электростанциях.
Световой источник тока
— энергия света преобразуется в электрическую энергию.
Применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах, видеокамерах.
Химический источник тока
— в результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется в электрическую.
Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.
Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания.
Условное обозначение источника тока на электрической схеме
или батареи, состоящей из нескольких источников
Страшный опыт Мушенбрека.
Вольта держит монеты во рту.
ИЗ ИСТОРИИ ИЗОБРЕТЕНИЙ
— один из основоположников учения об электричестве, его опыты с «животным» электричеством положили начало новому научному направлению — электрофизиологии. В результате опытов с лягушками Гальвани предположил существование электричества внутри живых организмов.
Это открытие произвело огромное впечатление на всех людей, даже совершенно далеких от науки. Каждый хотел испытать электрический разряд на себе и увидеть его действие на других. Изобретатели лейденской банки Клейст и Мушенбрек первыми испытали удары зарядов: первый из них после испытания не захотел повторить ощущение даже за персидский престол, второй согласился страдать ради науки.
За лейденские банки взялись и медики. В 1744 году Кратценштейн из Галле разрядом излечил паралич пальца, потом Жильбер вдохнул жизнь в руку столяра, онемевшую от удара молотка. Публика стонала от ожиданий, все хотели бессмертия.
Изобретение гальванического элемента.
Первая электрическая батарея появилась в 1799 году.
Вольта отлично знал – это вкус электричества, и рожден он был металлами.
Его первый источник тока – «вольтов столб» был построен в точном соответствии с его теорией «металлического» электричества. Вольта положил друг на друга попеременно несколько десятков небольших цинковых и серебряных кружочков, проложив меж ними бумагу, смоченную подсоленной водой.
В 1800 году в журнале Лондонского королевского общества появилось письмо Вольты с описанием «вольтова столб». Так была изобретена первая в мире электрическая батарея. Хотя силы Вольтова столба хватило бы только на то, чтоб зажечь всего лишь одну слабую лампу.
А известный русский ученый Петров в 1802 г. изготовил огромную батарею. Она состояла из 4200 медных и цинковых кружков, между каждой парой которых прокладывали картонные кружочки, пропитанные раствором нашатыря. Эта батарея представляла собой 2100 медно-цинковых гальванических элементов, соединенных последовательно. Напряжение на ее зажимах составлялоколо 1650-1700 В.
Это был первый в истории источник постоянного тока сравнительно высокого напряжения.
Термоэлемент из электролампы.
Лейденскую банку (или конденсатор) легко сделать самому. Для этого нужна стеклянная банка.
Стенки банки с внешней стороны и внутренней стороны надо на 2/3 оклеить фольгой (без складок!). Затем взять полиэтиленовую крышку и вставить в середину ее металлический стержень. На верхний конец стержня насадить металлический (или из любого другого материала, но оклеенный фольгой) шарик. Из фольги сделать кисточку и укрепить ее на нижнем конце стержня так, чтобы она при закрытой крышке касалась дна. Закрыть банку крышкой — и прибор готов!
Чтобы зарядить банку, прикоснитесь к шарику, например, наэлектризованной пластмассовой расческой. Чтобы увеличить заряд, проделайте это несколько раз, заново наэлектризовывая расческу.
Культуры некоторых организмов способны вырабатывать электрический ток. Если опустить в жидкую культуру кишечной палочки или обычных дрожжей платиновый электрод, а другой — в такую же питательную среду, но без микробов, то возникает разность потенциалов
Не спешите выбрасывать старую батарейку, а попробуйте ее «оживить».
Или же можно пробить в цинковом стаканчике батарейки отверстие, например, гвоздем и опустить батарейку в воду. Электролит разжижается, и ему легче проникнуть к диоксиду марганца. Таким способом можно увеличить срок службы батарейки почти на треть.
Фрукты содержат в себе слабые растворы кислот. Если взять лимон или яблоко и воткнуть в него медную проволоку, а на расстоянии от неё кусочек оцинкованного железа, то получится гальванический элемент. Измерьте вольтметром напряжение на своей батарейке, он покажет около 1 В.
А можно убедиться в этом и без вольтметра: прикоснитесь языком одновременно до меди и цинка – язык защиплет!
А можно составить большую батарею, включив элементы последовательно.
. Не забудь сначала очистить все металлические детали от жира, очень хорошо это получается с помощью порошка «Пемоксоль» (для чистки посуды)!
Действительно ли, так называемый, «сухой элемент» является сухим?
Отнюдь, полость элемента между электродами заполнена веществом в пастообразном состоянии,
и чтобы оно не вытекало, и электроды не смещались, элемент сверху заливают смолой.
Угольно-цинковые гальванические являются самыми распространенными сухими элементами питания. В них электролит находится в пастообразном состоянии.
Угольно-цинковые элементы могут «восстанавливаются» в течение перерыва в работе,
и в результате периодического «отдыха» срок службы элемента продлевается.
Ветряная ферма в Альтамонт Пэсс (Калифорния) состоит из 300 ветряных турбин. Чтобы производить столько же электричества, сколько производит атомная электростанция, ветряная ферма должна занимать площадь примерно в 140 квадратных миль.
1. Как изменится действие элемента Вольта, если его медный электрод заменить цинковым или цинковый заменить вторым медным?
2. Если алюминиевый чайник, в который налит раствор поваренной соли, присоединен
медным проводом к одной клемме гальванометра, а ко второй клемме присоединен железный стакан,
то что произойдет при переливании жидкости из чайника в стакан?
Находясь, длительное время на отдаленном садовом участке, может возникнуть проблема отсутствия элементов питания, как- то гальванических батареек или аккумуляторов. Выходом из этого положения может стать изготовление из подручных материалов гальванических элементов.
Соединение сделанных элементов в группы позволяет получить батарею необходимой мощности. Известны различные конструкции самодельных гальванических элементов. Остановимся на изготовлении некоторых конструкций гальванических элементов разной степени сложности.
Простые конструкции гальванических элементов.
Наиболее простая конструкция гальванического элемента представляет собой стеклянную или пластмассовую банку емкостью 0,5 л, с электролитом, в который опущены два электрода: один цинковый, а другой угольный (рис. 1.).
Рис. 2 Самодельная батарейка.
Вначале в банке, предназначенной для гальванического элемента, готовится электролит водный раствор нашатыря. С этой целью в банку наливают воду и постепенно в нее подсыпают нашатырь в виде порошка и тщательно перемешивают раствор. Это делается до полного насыщения раствора нашатырем. Затем берут полиэтиленовую крышку от банки и закрепляют в ней угольный стержень, взятый из негодного гальванического элемента.
На некотором расстоянии от угольного стержня закрепляют полоску цинка размером 2Ох120 мм. Потом берут два одинаковых куска определенной длины многожильного медного провода в изоляции и припаивают: один к угольному электроду, а другой к цинковому электроду элементов.
Провод, идущий от угольногого электрода, это «+», а идущий от цинкового «-». Проверку гальванического элемента проверяют присоединением электрической лампочки для карманного фонаря на 1,5. 2,5 В.
При правильно собранном элементе, лампочка должна загореться. У гальванических элементов с раствором нашатыря после длительной работы детали, составляющие элемент, покрываются мелким слоем цинковой соли, которую трудно удалить. Это приводит к уменьшению силы тока такого элемента и, в конце концов, к прекращению ero работы. Для недопущения такой ситуации в раствор нашатыря добавляют сахар рафинад 1. 3 части сахара на 10. 15 весовых частей нашатыря в порошке. В результате на цинковом электроде и банке появляются легко удаляемые кристаллы цинкового сахарата.
При отсутствии нашатыря для раствора можно использовать обычную поваренную соль.
Один такой элемент дает примерно 0,7. 0,8. В при токе 2. 3 А. для увеличения напряжения элементы следует соеденить последовательно. Такой гальванический элемент можно подзаряжать, получая от него 1. 1,5. В,
Вечный двигатель». Казалось бы, давно ясно, что сделать его нельзя, но находятся энтузиасты, готовые поспорить с законами физики.
Вот и эта забавная игрушка родилась на свет благодаря неосуществимой мечте школьника далеких 30-х годов (к сожалению, имя и фамилию его мы не знаем). Может, кому-то она покажется примитивной — обыкновенная банка. Но подождем с выводами.
Давайте лучше попробуем игрушку сделать и проведем эксперимент. Возьмите пустую банку из-под кофе или монпансье, шилом проткните в крышке и дне по две дырочки. Пропустите в них гонкую резиновую нить, например авиамодельную. Концы завяжите на крышке, как показано на рисунке. Оттяните и привяжите к резинке ниточку с грузиком — гайку.
Хотим предупредить, длина ниточки должна быть такой, чтобы гайка не касалась стенки.
Теперь плотно закройте крышку и пускайте банку по столу.как думаете? Вы увидите самое интересное. Банка придет в движение. Покатится вперед, остановится, откатится назад.
Потом снова остановится, снова изменит направление движения. Чем не «вечный двигатель»?! Катается и катается себе по столу, и никакой энергетической подпитки не требует. Вот и юный изобретатель 30-х годов так же подумал. А через некоторое время пришло разочарование: банка все же остановилась. Как вы думаете — что ее приводило в движение?
ГЕНЕРАТОР НА КОЛЕНЕ
Специалисты из Питсбургского и Мичиганского университетов разработали устройство, способное вырабатывать электричество во время движения человека.
Получаемой таким образом энергии достаточно для питания портативного GPS-навигатора, сотового телефона или роботизированной конечности. Генератор, крепящийся на колене, работает по той же технологии, что и регенеративное торможение, использующееся
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ ИЗ ДОЖДЯ
Необычную систему испытывают специалисты французской компании. Сбор энергии дождевых капель позволит получать ток для маломощных устройств в отсутствие солнца (в ненастную погоду фотоэлектрические батареи беспомощны).
Для того, чтобы выяснить, сколько электричества может дать дождь, была построена опытная установка, в которой капли воды падали с высоты на тонкую пластину из поливинилиденфторида. Когда капли ударяли в пластинку PVDF толщиной 25 микрометров, в ней возникали механические колебания, кратковременно генерирующие ток. Выяснилось, что для пьезогенератора наибольшую выгоду представляют крупные капли, падающие сравнительно медленно. Скоростные капли гораздо больше теряют энергию при разбрызгивании от удара, нежели передают её пластине.
Поставляемая установкой средняя мощность зависит от размера капель, частоты их падения и площади собирающего дождь пьезоэлектрика, выяснили исследователи. Они высчитали, что энергия, которую несёт одна капля дождя, колеблется от 2 микроджоулей до 1 миллиджоуля
в зависимости от диаметра капли. Собранная же установка выдавала минимум 1 микроватт постоянной мощности во время искусственного дождя. При этом самые крупные капли давали кратковременную «вспышку» в 12 милливатт. Учёные посчитали запасы энергии в падающих каплях, в дождях, идущих над Францией. Получилось, что один квадратный метр земли может выдать «от дождей» 1 ватт-час электричества в год. На таком «урожае» промышленных станций не построишь. Но капли могут поставлять небольшие порции даровой энергии там, где трудно и дорого менять батарейки: в различных электронных устройствах, работающих во внешнем мире.
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ИЗ ТЕПЛА
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли предложили получать электрический
ток с помощью использования давно известного эффекта, однако совершенно новым способом. В настоящее время существуют различные технологии получения тока из тепла.
Например, с помощью паровых турбин – считается малоэффективным. Можно использовать эффект Зеебека, который реализуется в термопарах. Он заключается в том, что электричество возникает в месте контакта двух металлов, находящихся при разных температурах. Однако термопары не приобретают широкого распространения из-за высокой стоимости требующихся для них металлов и низкой эффективности.
В новых экспериментах используются золотые наноэлектроды, контактирующие с тремя различными видами органических молекул. При изменении температуры в этой системе — как и в обыкновенных термопарах — происходит возникновение тока. Т.е. наблюдается эффект Зеебека в органических молекулах. Учёные утверждают, что могут сделать большое количество таких миниатюрных источников энергии. Материала идёт на них немного, а органические молекулы недороги, и их несложно получить. Устройства на основе нового метода генерирования электричества должны получиться сравнительно недорогими.
БАТАРЕЙКА ИЗ ПЛАСТИКА
Ученые из университета Браун решили отказаться от использования металла в батарейках.
Вместо него они использовали пластик для проведения электрического тока. Группа ученых
начала экспериментировать с веществом под названием полипиррол и другими полимерами.
В своих экспериментах исследователи взяли небольшую полоску пластиковой пленки, покрытой золотом и нанесли на нее слой полипиррола. Потом они взяли другую полоску и покрыли ее другим составом. После чего две части соединили и поместили между ними бумажную мембрану во избежание замыкания.
В результате получилась гибридная батарея, способная хранить энергию в течение долгого времени. Полученная мощность была в 100 раз выше, чем у стандартной алкалайновой батарейки.
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ ИЗ ВОДОРОСЛЕЙ
Топливо направляется в газовый двигатель, вращающий электрический генератор. На опытной станции Tokyo Gas такая установка переваривает тонну водорослей в день, создавая 20 тысяч литров метана. Для повышения мощности генератора к этому газу, полученному от водорослей, примешивают природный газ. Так что генератор установки выдаёт мощность в 10 киловатт — достаточно для питания 20 домов. Пока это электричество используется в офисах Tokyo Gas, однако, уже в следующем году эта компания намерена расширить эксперимент и начать понемногу промышленную выработку такой энергии на продажу. Для природы новые электростанции будут полезны ещё и тем, что при росте водорослей они поглощают углекислый газ, так что сжигание затем метана не повлияет на баланс парниковых газов.
«Радиоконструктор» на. кухонном столе.
«Радиоконструктор» на. кухонном столе. Вы, наверное, подумали, что это ошибка. Ведь кухня не самое удобное место для занятий техническим творчеством. Этим лучше заниматься н за рабочим столом в своей комнате.
Однако сейчас речь пойдет о забавных самоделках, для изготовления которых понадобятся «детали» из холодильника или с грядки — яблоки, помидоры, лимоны и др.
Основная часть любого радиоприбора, дающая ему «жизнь»,— источник питания. Большинство фруктов содержит в своем составе слабые растворы кислот. Именно поэтому их можно легко превратить в простейший гальванический элемент. Достаточно вставить в помидор, лимон или яблоко два электрода — медный и цинковый с заранее подпаянными проводками, чтобы получить «батарейку».
Медным электродом послужит отрезок провода ПЭЛ диаметром 1,0—2,0 мм, длиной 30—40 мм, который нужно очистить шкуркой от эмалевой изоляции. А для изготовления цинкового электрода подойдет отрезок жести из стаканчика использованной батарейки. Оригинальный источник питания готов.
В его работоспособности вы сможете убедиться, подсоединив к подпаянным проводкам гальванометр (см. рис. 1). При напряжении 0,1 В ток должен быть не менее 10 мкА.
Поэкспериментируйте с различными овощами и фруктами (огурцами, апельсинами) и выберите из них наиболее энергоемкий. Окончив эксперименты, «детали» используйте по их прямому назначению.
Энергии изготовленного вами точника питания достаточно для боты простейшего генератора звукой частоты. Его схема показана рисунке 2.
В качестве трансформатора можно использовать любой согласующий трансформатор от транзиторных приемников с соотношени количества витков между вторичь и первичной обмотками 1:3—1 Транзистор Т — любой маломощт низкочастотный, например МП Громкоговоритель — высокоомный, капсюль ДЭМШ, либо телефон «ТОН» с сопротивлением 2—4 кОм.
Теперь взгляните на рисунок 3. Обыкновенный картофель можно очень просто превратить в простейший детекторный приемник.
Картофелину длиной 8—10 см надо разрезать пополам, вставить между половинками полиэтиленовую пленку скрепить их бечевкой. Медные электроды вставьте согласно рисунку.
Диод Д — любой из серии Д2, телефоны высокоомные — 2—4 кОм. В качестве заземления используй батарею центрального отопления, с хорошей наружной антенной вы сможете принимать мощные мести радиостанции, работающие в диапазоне длинных волн.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОТОР ЗА 10 СЕКУНД
Приготовь : шуруп, батарейку, кусок провода и магнитик.
Магнит для эксперимента можно вынуть из старых маленьких наушников
или извлечь компактный вариант от магнита для холодильника.
Шуруп нужен с плоской шляпкой. Кусок провода (хватит и 15 см.) зачищаем с обоих концов.
1. Слегка сгибаем провод, а на магнит кладем шуруп (он прилипает к магниту плоскостью шляпки).
2. Шуруп с магнитом подвешиваем к батарейке.
Шуруп намагничивается и прилипает к батарейке острием.
3. Пальцем одной руки прижимаем один конец провода к противоположному торцу батарейки,
второй конец приближаем к головке шурупа с магнитом.
4. Как только контакт касается магнита шуруп начинает быстро вращаться.
На проводник с током в магнитном поле действует сила, которая приводит его во вращение.
Ротором здесь является шуруп, через него мы пропускаем ток, а магнитное поле обеспечивает магнит.
Все просто. Учитывая малую силу трения (шуруп касается батарейки в одной точке)
ротор-шуруп может раскручиваться до 10 тыс. оборотов в минуту.
Работающее устройство необходимо держать подальше от глаз,
т.к. шуруп с большой скоростью может легко отлететь и попасть в тебя.
ЧЕРНИЛА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ТОКА
Начнем с очень простого, но тем не менее поучительного опыта. Для него понадобится один-единственный реактив: чернила любого цвета. Правда, придется немного потрудиться над прибором.
Возьмите две металлические полоски длиной 8—10 см и шириной 1—2 см. Они могут быть из железа, меди, алюминия — безразлично, лишь бы свободно проходили в прозрачный сосуд — высокую мензурку или большую пробирку. Перед опытом просверлите в пластинах с одной стороны отверстия для прикрепления проводников. Приготовьте две одинаковые, толщиной буквально в несколько миллиметров, пластмассовые или деревянные прокладки и склейте их с металлическими полосками так, чтобы те, расположившись параллельно, не касались друг друга. Клей годится практически любой — БФ, «Момент» и др.
В мензурку или пробирку налейте воду и капните в нее столько чернил, чтобы раствор не был очень насыщенного цвета (однако он не должен быть и прозрачным). Опустите в него конструкцию из двух полосок, соедините их проводками с двумя батарейками, подключенными последовательно, «плюс» к «минусу». Несколько минут спустя, чернильный раствор между пластинками станет светлеть, а на дне и вверху будут собираться темные частицы.
Почему так происходит?
В состав чернила входят очень мелкие окрашенные частицы, взвешенные в воде. Под действием тока они слипаются и не могут уже плавать в воде, а опускаются на дно под действием силы тяжести. Понятно, что раствор при этом становится все более и более бледным.
Но как же частицы попали наверх? При действии тока на растворы нередко образуются газы. В нашем случае газовые пузырьки подхватывают твердые частицы и уносят их наверх.
В следующем опыте толстостенный чайный стакан, расширяющийся кверху, будет служить электролитической ванной. Приготовьте фанерный кружок такого диаметра, чтобы он прижался к стенке стакана в трех-четырех сантиметрах выше дна. В кружке заранее просверлите два отверстия (или вырежьте в нем по диаметру прорезь), неподалеку шилом проколите два отверстия: через них будут проходить проводки. В большие отверстия или в прорезь вставьте два карандаша длиной 5—6 см, очиненные с одного конца. Карандаши, точнее, их грифели, будут служить электродами. На неочиненных концах карандашей сделайте зарубки, чтобы обнажились грифели, и примотайте к ним оголенные концы проводков. Проводки скрутите и тщательно обмотайте изоляционной лентой, а чтобы изоляция была совсем надежной, лучше всего спрятать проводки в резиновых трубках. Все детали прибора готовы, остается только собрать его, т. е. вставить кружок с электродами внутрь стакана.
Поставьте стакан на тарелку и налейте в него до краев раствор стиральной кальцинированной соды Na2CO3 из расчета 2—3 чайные ложки на стакан воды. Таким же раствором заполните две пробирки. Одну из них закройте большим пальцем, переверните вверх дном и погрузите в стакан так, чтобы в нее не попал ни один пузырек воздуха. Под водой наденьте пробирку на электрод-карандаш. Точно так же поступите со второй пробиркой.
Батарейки — числом не менее трех — нужно соединить последовательно, «плюс» одной к «минусу» другой, а к крайним батарейкам подсоединить проводки от карандашей. Сразу начнется электролиз раствора. Положительно заряженные ионы водорода Н+ направятся к отрицательно заряженному электроду — катоду, присоединят там электрон и превратятся в газ водород. Когда у карандаша, подсоединенного к «минусу», соберется полная пробирка водорода, ее можно вынуть и, не переворачивая, поджечь газ. Он загорится с характерным звуком. У другого электрода, положительного (анода), выделяется кислород. Наполненную им пробирку закройте пальцем под водой, выньте из стакана, переверните и внесите тлеющую лучинку — она загорится.
Итак, из воды Н2О получился и водород Н2, и кислород О2; а для чего же сода? Для ускорения опыта. Чистая вода очень плохо проводит электрический ток, электрохимическая реакция идет в ней слишком медленно.
Пробирку с хлором, в которой находится также немного раствора соли, закройте пальцем под водой, переверните и встряхните, не отнимая пальца. В пробирке образуется раствор хлора — хлорная вода. У нее сильные отбеливающие свойства. Например, если добавить хлорную воду к бледно-синему раствору чернил, то он обесцветится.
При электролизе поваренной соли образуется еще одно вещество — едкий натр. Эта щелочь остается в растворе, в чем можно убедиться, капнув в стакан возле отрицательного электрода немного раствора фенолфталеина или самодельного индикатора.
Итак, мы получили в опыте сразу три ценных вещества — водород, хлор и едкий натр. Именно поэтому электролиз поваренной соли так широко используют в промышленности.