Виды источников тока — с примерами иллюстрациями и пояснениями

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:

1. механические – генераторы,
2. тепловые – термопары, термогенераторы,
3. световые (фотоэлектрические) – солнечные батареи и фотоэлементы,
4. химические – гальванические элементы и аккумуляторы.

Рис. 1. В зависимости от видов энергии, преобразуемой в электрическую, источники разбивают на группы

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.

Рис. 2. Механическую энергию в электрическую можно преобразовать с помощью электрофорной машины

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.

Рис. 3. Генератор – источник тока для велосипеда

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).

Рис. 4. Бытовой электрогенератор с бензиновым двигателем

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).

Рис. 5. Две проволоки из различных металлов могут создавать ток в цепи при нагревании

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.

Рис. 6. Некоторые оксиды, а, так же, чистые вещества, при освещении видимым светом могут отдавать электроны

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).

Рис. 7. Металлический катод и сетчатый анод в прозрачном стеклянном баллоне образуют вакуумный фотоэлемент

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).

Рис. 8. Полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрическую, поэтому, из них изготавливают солнечные батареи

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.

Рис. 9. Лимон и два кусочка различных металлов помогут создать простой источник тока

Такую конструкцию можно считать простейшим химическим источником тока. Гвоздики в нем — это электроды, а лимонная кислота – электролит.

Примечания:

1. Проводящие жидкости называют электролитами.
2. Существует, так называемый ряд электрохимических напряженый металлов. Наибольшее напряжение дают источники, построенные с применением металлов, расположенных в различных концах данного ряда.

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).

Рис. 10. Конструкция Вольтова столба

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.

Рис. 11. Сухой гальванический элемент, в быту называемый батарейкой

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).

Рис. 12. Виды сухих гальванических элементов, выпускаемых промышленностью

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).

Рис. 13. Пластины, помещенные в электролит, образуют аккумулятор

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).

Рис. 14. Аналогия между жидкостным насосом и источником электрического тока

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

\[\large P_{1} > P_{2}\]

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;

 

Физика 8 класс. Источники электрического тока :: Класс!ная физика

Физика 8 класс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Источник тока — это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.
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.

Например, термоэлемент — две проволоки из разных металлов необходимо спаять с одного края, затем нагреть место спая, тогда между другими концами этих проволок появится напряжение.
Применяются в термодатчиках и на геотермальных электростанциях.

Световой источник тока

— энергия света преобразуется в электрическую энергию.

Например, фотоэлемент — при освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.
Применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах, видеокамерах.

Химический источник тока

— в результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется в электрическую.

Например, гальванический элемент — в цинковый сосуд вставлен угольный стержень. Стержень помещен в полотняный мешочек, наполнен-ный смесью оксида марганца с углем. В элементе используют клейстер из муки на растворе нашатыря. При взаимодействии нашатыря с цинком, цинк приобретает отрицательный заряд, а угольный стержень — положительный заряд. Между заряженным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле. В таком источнике тока уголь является положительным электродом, а цинковый сосуд — отрицательным электродом.
Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания.
Аккумуляторы — в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Условное обозначение источника тока на электрической схеме

или батареи, состоящей из нескольких источников

Устали? — Отдыхаем!

Химические источники тока. Виды и особенности. Устройство и работа

Химические источники тока (ХИТ) — эта тема имеет высокое практическое значение. Это кардиостимуляторы, электромобили, которые пытаются сохранить экологию, портативные устройства, включая фото и видеотехнику, компьютерную технику, навигаторы. За последние годы прогресс химических источников тока произошел большой, от известных свинцовых аккумуляторов, которые постепенно вытесняются литий-ионными, литий-полимерными и другими аккумуляторами.

В этой области борьба идет за мощность, емкость, которая позволяет максимально долго использовать источники тока. Дополнительным стимулом к их развитию является создание гибких источников тока. Научная составляющая в этой области лежит в плане разработки материалов для таких химических элементов.

Устройство и работа

Химические источники тока состоят из электродов и электролита, который находится в емкости. Электрод, на котором окисляется восстановитель, называется анодом. Электрод, на котором восстанавливается окислитель, называется катодом. В общем получается электрохимическая система.

Попутным результатом такой реакции стало возникновение тока. Восстановитель передает электроны на окислитель, который восстанавливается. Электролит, который находится между электродами, нужен для прохождения реакции. Если перемешать порошки различных двух металлов, то электричество не возникнет, энергия появится в виде теплоты. Электролит необходим для упорядочения процесса движения электронов. Электролит состоит обычно из раствора соли или расплавленного вещества.

Электроды имеют вид решеток или пластин из металла. При помещении их в раствор электролита получается разность потенциалов пластин. Анод отдает электроны, а катод их принимает. На поверхности возникают химические реакции. Когда цепь размыкается, то реакции прекращаются. Если реагенты закончились, то реакция также больше не идет. Если удалить один из электродов, то цепь размыкается.

Из чего состоят химические источники тока

В качестве окислителей применяются соли и кислородосодержащие кислоты, а также нитроорганические вещества, кислород. В качестве восстановителей применяются металлы, оксиды, углеводороды.

Электролит может состоять из:

• Соли, щелочи и кислоты, растворенные в воде.
• Соли в растворе, с возможностью электронной проводимости.
• Расплавленные соли.
• Твердые вещества с подвижным ионом.
• Электролиты в виде матрицы. Это растворы жидкости, расплавы, которые находятся в порах электроносителя.
• Электролиты с ионным обменом. Твердые вещества с закрепленными ионогенными группами, с одним знаком. С другим знаком ионы подвижны. Эта характеристика позволяет создать однополярную проводимость.

Гальванические элементы

Напряжение на ячейке составляет 0,5-4 вольта. В химических образцах источника применяют гальваническую батарею, которая состоит из элементов. Может использоваться параллельная схема нескольких элементов. При последовательной схеме в цепь включены одинаковые батареи. Они должны обладать одинаковыми свойствами, с одной конструкцией, технологией, типоразмером. Для схемы параллельного соединения подойдут элементы с различными свойствами.

Классы

Химические источники тока делятся по следующим свойствам:

• Размерности.
• Конструктивным особенностям.
• Применяемым химическим веществам.
• Источнику реакции.

Эти свойства создают эксплуатационные параметры источников, которые подходят для определенной области использования.

Деление на классы электрохимических источников основывается на отличии в способе действия устройства.

По этим свойствам их различают:

• Первичные источники – для однократного применения. В них заключен определенный запас веществ, который будет израсходован при реакции. Когда произойдет разряд, ячейка исчерпывает свою способность к работе. Первичные источники, основанные на химических реакциях, называются элементами. Наиболее простой элемент – это батарейка типа АА.
• Химические источники тока, которые имеют возможность перезаряжаться, называются аккумуляторами, это вторичные многоразовые элементы. Израсходованные химические элементы могут регенерироваться и снова накопить энергию, путем подключения к ним тока. Это называется зарядкой элементов. Такие элементы применяют длительное время, так как их легко зарядить. В процессе разряда вырабатывается электрический ток. К таким источникам можно причислить элементы питания различных видов приборов и устройств, таких как смартфоны, ноутбуки и т.д.
• Тепловые химические источники тока – это приборы постоянного действия. В результате их работы постоянно поступает новая порция веществ и удаляется использованный продукт реакции.
• В смешанных элементах находится запас реагента. Другой реагент поступает в устройство снаружи. Время действия устройства имеет зависимость от резерва первого вещества. Комбинированные элементы применяются в качестве аккумуляторов, когда имеется возможность регенерации их заряда через прохождение тока от внешнего питания.
• Химические источники тока, которые могут возобновлять заряд, заряжаются разными способами. В них можно заменять израсходованные реагенты. Такие источники действуют не постоянно.

Свойства

Основные характеристики ХИТ можно перечислить в таком виде:

• Разрядное напряжение. Это свойство имеет зависимость от определенной электрохимической системы. А также оказывает влияние процент концентрации электролита, температура, ток.
• Мощность.
• Разрядный ток, зависящий от сопротивления цепи.
• Емкость, наибольшее количество энергии, которое источник выдает при общем разряде.
• Запас энергии – наибольшая энергия, которая получена при полном разряде устройства.
• Энергетические свойства и характеристики. Для батарей аккумуляторов это число циклов заряда и разряда, без уменьшения емкости и напряжения (ресурс).
• Температурный интервал работы.
• Сохраняемый срок – наибольший допускаемый период времени от изготовления до первого разряда элемента.
• Время службы – наибольший допускаемый срок работы и хранения. Для элементов на топливе имеют значение сроки работы при постоянной и периодической работе.
• Полная энергия, отданная за все время работы.
• Механическая, вибрационная прочность.
• Возможность функционирования в любом положении.
• Надежная работа.
• Простота в уходе.

Сахарная батарея

Чтобы произвести литий-ионные аккумуляторы в Японии закупают материалы в других странах. Это негативно сказывается на экономическом положении страны. Поэтому ученые ищут способы изготовления аккумуляторов из того сырья, которое имеется в наличии. Таким сырьем в Японии стал сахар. Аккумулятор на сахаре в Японии по свойствам имеет надежность и энергоемкость выше обычных аналогов, и стоимость его ниже.

Большой спрос на литий, который вызван резким распространением переносных аккумуляторов, озаботил производителей аккумуляторов, так как этот элемент добывается только в странах с политической нестабильностью. Это явилось вторым фактором поиска альтернативных материалов для недорогих аккумуляторов с высокой надежностью. Сахароза легко преобразуется в дешевый материал для анодного сырья в литий-ионных батареях.

Сахар нагревают в условиях вакуума под давлением до 1500 градусов. Он превращается в порошок, состоящий из углерода, который может повысить заряд на 20% больше аналогичных изделий. Это явилось первым шагом в разработке дешевых батарей. Пока такие виды батарей не составляют конкуренции современным аккумуляторам. Но ученые предполагают, что в будущем подобные разработки вытеснят дорогие изделия.

Требования

Конструктивные особенности химических источников тока должны создавать условия, которые способствовали бы максимальной эффективности химических реакций.

К таким условиям можно отнести:

• Недопущение утечек тока.
• Постоянная работа.
• Герметичность.
• Раздельное помещение реагентов.
• Качественное контактирование электролита с электродами.
• Хороший отвод тока из объекта химической реакции до наружного вывода с наименьшими потерями.

К химическим элементам предъявляются требования:

• Повышенные значения свойств.
• Максимальный диапазон температуры работы.
• Наибольшее напряжение.
• Минимальная себестоимость электричества.
• Постоянное значение напряжения.
• Хорошее сохранение заряда.
• Безопасное функционирование.
• Простое обслуживание, или ее отсутствие.
• Долговременная работа.

Эксплуатация источников тока

Основное достоинство первичных элементов состоит в отсутствии надобности обслуживания. Перед работой нужно просто осмотреть их, определить срок годности. При включении в цепь нельзя путать полярность и допускать повреждения контактов. Сложные конструкции источников требуют особого ухода. Цель его заключается в удлинении срока службы до максимума.

Уход за аккумуляторами требует выполнения следующих мероприятий:

• Обеспечение чистоты.
• Контроль параметра напряжения отключенной цепи.
• Обеспечение необходимого уровня электролита, доливки дистиллированной воды.
• Проверка концентрации электролита ареометром.

При использовании батареек (гальванических элементов) нужно выполнять требования, которые относятся к применению электрических приборов.

Сфера использования

В современное время химические источники тока используются в:

• Транспорте.
• Переносных устройствах.
• Космической технике.
• Оборудовании научных исследований.
• Медицинских приборах.

Применяются в бытовой сфере:

• Батарейки (сухие).
• Батареи аккумуляторов электроники.
• Аккумуляторы на автомобилях.

Большое распространение нашли литиевые химические источники тока. Это обусловлено наличием у лития максимальной удельной энергии. Он отличается наиболее отрицательным потенциалом электрода из металлов. Батареи литий ионного типа опередили все другие источники по размеру значений удельной энергии. В настоящее время ученые разрабатывают различные усовершенствования литиевых аккумуляторов. Разработки ведутся в направлении получения конструкций корпуса сверхмалой толщины, которые будут использоваться для питания смартфонов и подобных им гаджетов, а также создание сверхмощных батарей аккумуляторов.

В последнее время серьезные работы ученых ведутся по изобретению и модернизации топливных батарей – устройств, которые создают электрическую энергию, за счет проведения химических реакций веществ, постоянно подающихся к электродам снаружи. Для окисления берут кислород, а в качестве топлива пытаются использовать водород. На основе таких батарей уже действуют некоторые опытные образцы на электростанциях.

Похожие темы:

Электрический ток. Источники электрического тока по ФГОС.

Класс: 8 

УМК: Пёрышкин А. В.                                                            

Тип урока:изучение нового материала.

Цель урока: формирование представления об электрическом токе и условиях его существования в цепи, и об источниках тока.

Планируемые результаты урока:

Предметные:

• Использование знаково-символических средств, в том числе моделей и схем для решения задач;
• формирование представлений об источниках тока;
•  организация усвоения основных понятий по данной теме;
• формирование научного мировоззрения учащихся.

Метапредметные:

• Развитие умения генерировать идеи;
•  выявлять причинно-следственные связи;
•  работать в группе;
• пользоваться альтернативными источниками информации;
•  формировать умение анализировать факты при наблюдении и объяснении явлений, при работе с текстом учебника.

Личностные:

• Формирование ценностных ориентиров и смыслов учебной деятельности на основе развития познавательных интересов, учебных мотивов;
• формирование умений управлять своей учебной деятельностью;
• формирование интереса к физике при анализе физических явлений;
• формирование мотивации постановкой познавательных задач, раскрытием связи теории и опыта, развитие внимания, памяти и творческого мышления.

Методы обучения: проблемный, репродуктивный, эвристический.

Формы организации познавательной деятельности обучающихся: коллективная, индивидуальная, групповая.

Средства обучения: ПК, проектор, экран; металлическая трубка, эбонитовая палочка, электрофорная машина, термоэлемент, спиртовка, гальванометр, фотоэлемент, лампа, гальванический элемент, батарея гальванических элементов, аккумулятор. На столах учеников лимон, картофель ,медные провода, гвозди. Карточки с заданиями.

Виды педагогических технологий, применяемые на данном уроке:

• информационная технология;
• личностно ориентированное обучение (беседа – ответы на вопросы; развитие, понимание и объяснение опытов, творчество и исследовательский поиск при решении проблемного вопроса).

Технологическая карта урока

Этап урока, время	Деятельность учителя	Деятельность ученика	Формируемые УУД	Формы работы (индивидуальная, групповая, фронтальная)	Средства обучения
1. Организационный момент. 1 минута.	Приветствует учеников.	Отвечают на приветствие учителя.	Коммуникативные	фронтальная
2.Постановка целей и задач урока 2 минуты.	Подготовка к осознанию целей и задач, создает мотивацию	Ставят цели урока.	Регулятивные	фронтальная
3. Актуализация опорных знаний учащихся. 3 минуты.	Беседа, фронтальный опрос	Отвечают на заданные вопросы.	Предметные, регулятивные	фронтальная
4.Первичное усвоение новых знаний. 15 минут	1.Демонстрация опыта №1. Электроскопы соединены проводником	Следят за экспериментом, делают вывод.	Предметные, регулятивные, коммуникативные	индивидуальная, групповая, фронтальная	Презентация
	2. Формулировка понятия эл.тока. (слайд №2)	Пытаются самостоятельно сформулировать определение и записать его в тетрадь.
	3.Выяснения условий длительного существования эл.тока.	Рисуют схему,
	4.Демонстрация опытов с источниками эл. тока . №2.Электрофорная машина(слайд №9) генератор(слайд №10)	Следят за экспериментами, делают выводы и записывают их в тетрадь.
	№3.Термоэлемент (слайд №12)	записывают в тетрадь.
	№4.Фотоэффект (слайд №14)	записывают в тетрадь.
	Эксперимент 1	Выполняют эксперимент. Делают выводы.
	Рассказ про гальванический элемент.				ЭОР
4. Первичная проверка понимания. 5 минут	Рассказ про аккумуляторы ЭОР	Работают с учебником. Отвечают на вопросы.	Предметные, регулятивные	индивидуальная, фронтальная	ЭОР
Динамическая пауза. Снеговик. 2 минуты		Выполняют упражнения	Личностные	индивидуальная,	Презентация
5. Первичное закрепление. Тест. 5 минут	Раздает карточки с задание.	Выполняют тест.	Предметные, регулятивные	Индивидуальная	Карточки с заданием
6.Контроль усвоения, обсуждение допущенных ошибок и их коррекция. 3 минуты	Корректирует ошибки.	Взаимопроверка. Выставление оценок.	Предметные, регулятивные	Индивидуальная
7. Рефлексия. 2 минуты	Подводить к итогам занятия, предлагает осуществить самооценку достижений.	Участвуют в беседе по обсуждению достижений.	Личностные, коммуникативные, регулятивные	фронтальная
8. Информация о домашнем задании. 2 минуты	Информирует о домашнем задании. Раздает инструкцию по выполнению	Записывают домашнее задание.	Регулятивные	фронтальная

 Ход урока

I. Организационный момент.

II. Постановка целей и задач урока (мотивация и формулировка цели урока).

Учитель: Сегодня мы начинаем изучение важнейшей для современного человека темы: «Электрический ток. Источники электрического тока». Слово «электричество», «электрический ток» прочно вошли в нашу жизнь. Мы настолько привыкли к тому, что нас окружают электроприборы и электрические явления, что порой не замечаем, какую огромную роль они играют в нашей жизни.

Представьте себе на минуту, что отключили электричество в наших домах. Что было бы? Каковы последствия этого события?

Ученики: Если отключат электричество, то погаснет свет, не сможем посмотреть телевизор, не будут работать компьютеры, холодильники, все электроприборы, останемся без воды и тепла, так как насосы, качающие воду, работают на электричестве, не смогли бы подзарядить сотовые телефоны.

Учитель: Делаем вывод: электричество играет огромную роль в нашей жизни, поэтому важно знать, что это такое. Какая цель сегодняшнего урока?

Ученики: выяснить, что такое электрический ток и какие условия необходимы для его существования, и источники тока.

III. Актуализация опорных знаний учащихся.

Фронтальный опрос.

Учитель: Но прежде всего давайте вспомним ранее изученный материал и ответим на следующие вопросы.

1. Что такое электризация тел? (Электризация – разделение электрических зарядов в результате тесного контакта двух или более тел.)
2. Как можно наэлектризовать тело?
3. Назовите два рода зарядов. Как взаимодействуют тела, имеющие электрические заряды?
4. Что такое проводники и непроводники электричества?
5. Какие металлы проводят электричество?
6. Под действием чего движутся свободные электроны в металлах?
7. Какие заряженные частицы вы знаете?

IV.

Первичное усвоение новых знаний.

1. Электрический ток.

Демонстрация №1

Два электрометра, соединенных металлическим проводником. Если поднести к одному электрометру заряженную стеклянную палочку, то стрелка второго электрометра отклонится. Что происходит при этом?

Учащиеся отвечают (вокруг заряженной палочки возникает электрическое поле, под действием которого свободные электроны перемещаются сначала к одному электрометру, а затем через проводник к другому.)

В нашем опыте электроны двигаются в одну сторону, т.е. направлено (упорядочено). В этом случае можно сказать, что по металлическому проводнику протекает электрический ток.

Кроме металлических проводников мы будем изучать и другие проводники, например, проводящие ток жидкости. В них кроме электронов есть и другие заряженные частицы – ионы. Они тоже могут перемещаться.

Сформулируем вместе, что же такое электрический ток?

• электроны и ионы – это…? (Ученики: заряженные частицы).
• что с ними происходит? (Ученики: они движутся).
• как они движутся? (Ученики: упорядочено, т.е. направлено).
• под действием чего движутся заряженные частицы? (Ученики: под действием электрического поля).

СЛАЙД 2 (запишите)

Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц, под действием электрического поля.

2. Условие существования тока в цепи.

В нашем опыте в металлическом проводнике электрический ток возникает, но он быстро прекращается. Почему же он является кратковременным? По мере перемещения зарядов с палочки на электрометр и далее по трубке, электрическое поле вокруг палочки уменьшается, а вокруг левого электрометра растет. При равенстве зарядов их электрические поля компенсируют друг друга и движение электронов прекращается.

Значит, для того, чтобы ток в цепи существовал долго что необходимо:

1. Наличие свободных электронов
2. Наличие внешнего электрического поля для проводника

Источник тока.

Изобразим все в виде схемы. (Учитель рисует на доске, ученики в тетрадях схему)

3. Источники тока

Источники тока – это устройства, создающие и поддерживающие длительное время электрическое поле. Существуют различные источники тока, но в любом из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Разделенные заряженные частицы накапливаются на полюсах источника тока. Один полюс заряжен положительно, второй – отрицательно. Если полюсы источника соединить проводником, то в нем под действием электрического поля возникает электрический ток, т.е. свободные заряженные частицы придут в нем в движение.

4. Виды источников тока

Произвожу демонстрацию опытов по рис. 44-46 учебника. В ходе выполнения опытов задаю вопрос. Какой вид энергии превращается в электрическую в данном опыте? После обсуждения каждого опыта заполняем соответствующую строку таблицы 1.

Демонстрирую опыт №2

Действие электрофорной машины.

Вывод: Разделение зарядов происходит за счет механической энергии. При вращении дисков происходит трение щеток о диск, что приводит к разделению зарядов. В результате один электрод машины заряжается положительно, а другой отрицательно. Если приблизить электроды машины, то возникает кратковременный ток в виде электрического разряда в воздухе.

Для того, чтобы ток протекал постоянно, необходимо непрерывно вращать ручку электрофорной машины. Конечно, таким образом создавать электрический ток длительное время невозможно. На электростанциях электрический ток вырабатывают с помощью генераторов. Этот ток используется в промышленности, на транспорте, в осветительной сети.

Демонстрирую опыт №3.

Действие термоэлемента.

Вывод: Если две проволоки, изготовленные из разных металлов, спаять, затем нагреть место спая, то по цепи потечет электрический ток. Разделение зарядов происходит за счет изменения внутренней энергии веществ.

Демонстрирую опыт №4.

Действие фотоэлементаи источника света.

Вывод: Если такие вещества, как кремний, селен, оксид меди осветить, то в цепи возникает электрический ток. Это явление называется фотоэффектом. Световая энергия превращается в электрическую.

Чтобы перейти к следующему источнику тока расскажу немного об истории их создания.

Эксперимент 1

У вас на столах имеются лимон и картофель. Сейчас попробуйте получить из них источники тока используя ваши вольтметры. Понаблюдайте за отклонением стрелочки.

Какой вывод, какая энергия превратилась в электрическую.

Источники тока у которых разделение зарядов происходит за счет энергии химических процессов называют гальваническими. В них химическая энергия преобразуется в электрическую.

Обратимся к истории. (16слайд)

В 1799 году итальянский физик Алессандро Вольта, опираясь на результаты исследований Луиджи Гальвани, изготовил электрическую батарею, названную вольтовым столбом. Батарея Вольта была составлена из чередующихся медных и цинковых кружков, которые были сложены столбиком и переложены кусочками сукна, смоченного в растворе серной кислоты

Рассказ про г.э. ЭОР

V. Первичная проверка понимания

(17 слайд)

Откройте учебники на с. 97. На рис 47 рассмотрите устройство сухого гальванического элемента и в тексте найдите ответы на вопросы.

Вопросы:

1. Что такое батарея гальванических элементов? (Несколько гальванических элементов, соединенных вместе, образуют батарею гальванических элементов).
2. Срок действия гальванических элементов? (Все гальванические элементы и батареи гальванических элементов имеют определенный срок действия. После этого мы их просто выбрасываем).
3. Существуют ли химические источники тока многоразового действия? (Да. Это аккумуляторы, от латинского слова аккумуляторе — накоплять).
4. Что представляет простейший аккумулятор? (Простейший аккумулятор – это две свинцовые пластины, помещенные в раствор серной кислоты. Чтобы аккумулятор был источником тока, надо зарядить от какого – то другого источника постоянного тока. При прохождении тока между пластинами и кислотой происходит химическая реакция. При этом один электрод становится положительно заряженным, а второй — отрицательно заряженным).
5. Какие виды аккумуляторов бывают? (Аккумуляторы бывают двух видов:
6. Кислотные (свинцовые) — свинцовая пластина в растворе серной кислоты:
7. Щелочные (железно — никелевые) – одна пластина из спрессованного железного порошка, вторая – из пероксида никеля. Помещены в раствор щелочи.)

А с какими источниками тока вам приходилось чаще всего сталкиваться в повседневной жизни?

Ученики: Аккумуляторы.

• Рассказ про аккумуляторы ЭОР

Действительно, очень часто мы используем именно аккумуляторы. Сотовые телефоны необходимо периодически подзаряжать. Для этого мы используем зарядное устройство или так называемый сетевой адаптер, который преобразует переменный ток напряжением 220 В из осветительной сети в постоянный ток напряжением 3 В.Чаще всего там используется литиево – ионный аккумулятор или батарея, в которой применяется раствор солей лития в органическом растворителе. Ну а теперь мы полностью завершаем заполнение таблицы.

Таблица 1

№	Виды источников	Преобразование энергии	Название источников тока
1.	Механические	Механическая энергия в электрическую.	Электрофорная машина, генератор.
2.	Тепловые	Внутренняя энергия в электрическую.	Термоэлемент.
3.	Световые	Световая энергия в электрическую.	Фотоэлемент, солнечная батарея.
4.	Химические	Химическая энергия в электрическую.	Гальванический элемент, аккумулятор, батареи.

Динамическая пауза. Снеговик.

VI. Первичное закрепление. Тест.

Электрический ток. Источники электрического тока.

Вариант № 1.

1. Как называются приборы, создающие электрическое поле?
   А.Элемент питания
   Б. Источники тока
   В. Электромеханический генератор
   Г. Источник энергии
2. Какие превращения энергии происходят в термоэлементе?
   А. Механическая энергия преобразуется в электрическую энергию
   Б. Внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию
   В. Энергия света преобразуется в электрическую энергию.
   Г. Химическая энергия преобразуется в электрическую энергию.
3. В каких источниках тока используется химическая энергия.
   А. 
   Б. 
   В. 
   Г. 
4. В чем отличие аккумуляторов от других гальванических источников тока?
   А. Химический источник тока многоразового действия
   Б. Необходимо предварительно зарядить
   В. Используются для накопления энергии и автономного питания различных потребителей.
   Г. Состоит из нескольких гальванических элементов, которые называются батареей.
5. Электрическим током называется?
   А. Направленное движение атомов
   Б. Направленное движение электронов по проводам.
   В. Направленное движение заряженных частиц.
   Г. Направленное движение нейтральных частиц.

Электрический ток. Источники электрического тока.

Вариант № 2

1. Какими заряженными частицами может создаваться электрический ток?
   А. Ионами
   Б. Электронами
   В. Протонами
   Г. Нейтронами
2. Какие превращения энергии происходит в электрофорной машине?
   А. Механическая энергия преобразуется в электрическую энергию
   Б. Внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию
   В. Энергия света преобразуется в электрическую энергию.
   Г. Химическая энергия преобразуется в электрическую энергию.
3. В каких источниках используется световая энергия?
   А. 
   Б. 
   В. 
   Г. 
   
4. Какие источники тока используются на электростанциях для промышленного получения тока?
   А. Электрофорная машина
   Б. Термоэлемент (термопара)
   В. Фотоэлемент
   Г. Электромеханический генератор
5. Для создания и поддержания электрического тока необходимо?
   А. Источник тока и металлический проводник.
   Б. Электрофорная машина и эбонитовая палочка.
   В. Свободные заряженные частицы и электрическое поле.
   Г. Аккумулятор и розетка

VII. Контроль усвоения, обсуждение допущенных ошибок и их коррекция.

Взаимопроверка. Выставление оценок.

VIII. Рефлексия.

Подводит итог:

— Что было на уроке важным?

— Что было новым?

— Что было интересным?

У вас на столах лежат кружочки.

Нарисуйте на листочках, какой заряд вы получили от сегодняшнего урока.

Если всё понятно и понравилось, то рисуете положительный заряд

Если вам ничего непонятно, то рисуете отрицательный заряд.

Если вам понравился урок, но не всё понятно, рисуете два знака заряда.

IX. Информация о домашнем задании.

• Параграф 32. Вопросы 1-7.
• Домашний проект «Сделай батарейку»

Инструкция выдается каждому ученику.

Инструкция:

1. Возьмите 5 желтых монет по 10 копеек и 5 белых монет по 5 копеек. (Они примерно одинаковые по величине, а сделаны из разных сплавов).
2. Расположите их столбом друг на друга поочередно, а между ними положите кусочки газетной бумаги, смоченной в крепком растворе поваренной соли.
3. Возьмите столб мокрыми пальцами за концы, и вы почувствуете слабый электрический удар.

2. Электрический ток. Электрическая цепь. Гальванические элементы. Аккумуляторы

Электрический ток — направленное, упорядоченное движение электрических зарядов.

Электрические заряды могут быть разными. Это могут быть электроны или ионы (положительно или отрицательно заряженные).
Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле. Под действием поля электрические заряды начнут перемещаться, возникнет электрический ток.

 

Обрати внимание!

Условия существования электрического тока:

• наличие свободных электрических зарядов;
• наличие электрического поля, которое обеспечивает движение зарядов;
• замкнутая электрическая цепь.
Электрическое поле создают источники электрического тока.

Источник тока — это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.

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. Сюда относятся: электрофорная машина, динамо-машина, генераторы.

 

Диски электрофорной машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щёток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака.

 

• Тепловой источник тока — внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.

 

 

 

К нему относится термоэлемент. Две проволоки из разных металлов спаяны с одного края. Затем место спая нагревают, тогда между другими концами этих проволок появляется напряжение.

 

• Световой источник тока — энергия света преобразуется в электрическую энергию. Сюда относится фотоэлемент.

 

При освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.

 

• Химический источник тока — внутренняя энергия преобразуется в электрическую в результате протекающих химических реакций.
Примером такого источника является гальванический элемент. 

 

 

Угольный стержень У (с металлической крышкой М) помещают в полотняный мешочек, наполненный смесью оксида марганца с углём С, а затем  в цинковый сосуд Ц. Оставшееся пространство заполняют желеобразным раствором соли Р. При протекании химической реакции цинк заряжается отрицательно (отрицательный электрод), а угольный стержень — положительно (положительный электрод). Между заряженным угольным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле.

Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

 

 

Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания. Они являются одноразовыми. В быту часто используют батарейки, которые можно подзаряжать многократно. Их называют аккумуляторами.

 

 

 

Простейший аккумулятор состоит из сосуда, наполненного слабым раствором серной кислоты в воде, в который опущены две свинцовые пластины (электроды). Чтобы аккумулятор стал источником тока, его надо зарядить. Если обе пластины соединить с полюсами какого-либо источника электрической энергии, то электрический ток, проходя через раствор, зарядит один электрод положительно, а другой — отрицательно. Такие аккумуляторы называют кислотными или свинцовыми. Кроме них ещё существуют щелочные или железоникелевые аккумуляторы. В металлогидридных аккумуляторах отрицательный электрод состоит из порошкообразного железа, а положительный из гидроокиси никеля с добавками графита и окиси бария. Электролитом служит раствор едкого калия с добавками моногидрата лития. 
Аккумуляторы используют в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах, железнодорожных вагонах и даже на искусственных спутниках Земли.
Наряду с источниками тока существуют различные потребители электроэнергии: лампы, пылесосы, компьютеры и многие другие.

 

Элементы электрической цепи:

• источник напряжения;
• потребители: резисторы, лампы, реостат…
• измерительные приборы: вольтметр, амперметр, ваттметр, омметр;
• соединительные провода;
• ключи для размыкания и переключения цепи.

Для поддержания электрического тока в цепи необходимы источники электрической энергии: источники электрического тока, источники электрического напряжения.

Источник ЭДС (идеальный источник напряжения) — двухполюсник, на зажимах которого электродвижущая сила (и напряжение) всегда поддерживается постоянным значением.

Источник электрического тока — двухполюсник, создающий ток постоянного значения, не зависящего от значения сопротивления на подключенной нагрузке. Внутреннее сопротивление такого источника приближается к бесконечности.

 

Необходимое условие существования тока  — замкнутая цепь! Это означает, что все элементы цепи должны быть проводниками электричества и в цепи не должно быть разрывов. В случае размыкания цепи ток прекращает течь. Именно размыкание цепи и лежит в основе работы всех реле, кнопок и выключателей.

  

Порядок сборки электрической цепи указывается на специальном чертеже, который принято называть схемой.

  

 

Приборы на схемах обозначают условными знаками. Вот некоторые из них:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Источники:

 

 

http://www.fizika.ru/kniga/index.php?mode=paragraf&theme=09&id=9010
http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669ba06a-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/3_8.swf

Электрический ток. Источники электрического тока

Тип урока: урок открытия нового знания.

Используемые технологии: здоровьесбережения, информационно-коммуникационные, развития критического мышления, педагогики сотрудничества.

Цель: дать представление о природе электрического тока, условиях его возникновения и существования, источниках электрического тока.

Формируемые УУД: предметные: научиться объяснять понятия электрический ток, источник тока\ определять виды источников тока; объяснять физическую природу электрического тока, условия его возникновения и существования; метапредметные: осуществлять контроль и самоконтроль понятий и алгоритмов; формировать целеполагание как постановку учебной задачи на основе соотнесения того, что уже известно и усвоено учащимися, и того, что еще неизвестно; объяснять физическую природу электрического тока и условия его возникновения и существования; личностные: формирование самостоятельности в приобретении новых знаний; использование приобретенных знаний в повседневной жизни.

Приборы и материалы: источники тока, гальванические элементы, электрофорная машина, аккумулятор, термопара, фотоэлементы, магнитная стрелка на подставке, гвоздь, лимон или один клубень картофеля, амперметр, соединительные провода, электронное приложение к учебнику.

Ход урока

I. Организационный момент

(Учитель и ученики приветствуют друг друга, выявляются отсутствующие.)

II. Актуализация знаний. Проверка домашнего задания

(Учитель проводит фронтальный опрос по вопросам и заданиям учебника. Ученики выполняют дифференцированную самостоятельную работу.)

Уровень 1

1. Существует ли электрическое поле вокруг электрона?

2. Как можно обнаружить электрическое поле вблизи заряженного тела?

Уровень 2

1. Существует ли электрическое поле возле заряженной стеклянной палочки? Какой заряд будет иметь шарик и листочки электроскопа при поднесении к ним этой палочки?

2. Как доказать, что электрическое поле материально?

Уровень 3

1. Можно ли объяснить электризацию тел перемещением атомов и молекул? Почему?

2. Если заряженной эбонитовой палочкой коснуться руки человека, то утратит ли палочка весь имеющийся на ней заряд? А если коснуться руки заряженной медной палочкой?

Уровень 4

1. Почему стрелка электроскопа отклоняется, если к нему поднести заряженный предмет, не прикасаясь к электроскопу?

2. Если к заряженному электроскопу поднести горящую спичку, он довольно быстро разрядится. Объясните этот опыт.

III. Изучение нового материала

Согласно электронной теории, в телах имеются свободные электроны, движением которых объясняются различные электрические явления. Эти электроны совершают хаотическое движение, подобное движению молекул газа.

Демонстрация 1. Зарядим один электрометр, добиваясь максимального отклонения стрелки. Соединим проводником с другим электрометром. Наблюдаем уменьшение показаний первого и увеличение показаний второго электрометра.

Объяснение. Под действием электрического поля электроны проводимости перемещаются по проводнику.

Электроны проводимости, совершая орбитальное движение вокруг ядер (ионов), движутся еще и под действием электрического поля в направлении против поля. Направленное движение электронов проводимости в металлических проводниках под действием поля называют электрическим током. В других проводниках (электролитах, газах) под действием поля могут двигаться любые заряженные частицы — ионы, электроны.

— Почему ток был кратковременным? (Ослабело электрическое поле, при этом прекратилось движение заряженных частиц.)

Для существования электрического тока необходимы следующие условия:

• наличие свободных электронов в проводнике;

• наличие внешнего электрического поля для проводника.

Электрический ток прекращается, если электрическое поле, создающее движение зарядов, исчезает. Чтобы электрический ток в проводнике существовал длительное время, необходимо все это время поддерживать в нем электрическое поле.

Электрическое поле в проводниках создается и может длительное время поддерживаться источниками электрического тока. Источники тока бывают различными, но во всяком из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Работа эта совершается так называемыми сторонними силами. Такие силы не могут иметь электрическое происхождение. В источниках тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превращение механической, внутренней или какой-нибудь другой энергии в электрическую.

В источниках тока за счет сил неэлектрического происхождения происходит разделение заряженных частиц, в результате чего полюса источника оказываются заряженными разноименно.

(Учитель проводит демонстрации опытов.)

Демонстрация 2. Получение тока в электрофорной машине. В электрофорной машине в электрическую энергию превращается механическая энергия.

Демонстрация 3. Получение тока с помощью термоэлемента. Можно осуществить и превращение внутренней энергии в электрическую. Если две проволоки, изготовленные из разных металлов, спаять, а затем нагреть место спая, то в проволоках возникнет электрический ток. Такой источник тока называется термоэлементом.

Демонстрация 4. Получение тока с помощью фотоэлемента. При освещении некоторых веществ световая энергия непосредственно превращается в электрическую энергию — это явление фотоэффекта. На нем основано устройство и действие фотоэлементов.

Демонстрация 5. Отклонение стрелки амперметра при подключении его к различным гальваническим элементам.

Источники тока, у которых разделение зарядов происходит за счет энергии химических процессов, получили название гальванических. Такое название было предложено итальянским ученым Алессандро Вольта в 1796 г. в честь ученого Луиджи Гальвани.

(При отсутствии оборудования учитель демонстрирует учащимся анимационные ролики 71 “Элемент Вольта” и 72 “Сухой гальванический элемент” из электронного приложения к учебнику.)

Рассмотрим принцип действия аккумулятора. При прохождении тока между пластинами и кислотой происходит химическая реакция. Следует подчеркнуть, что аккумулятор перед работой нужно зарядить, т. е. пропустить через него ток. Только после этой процедуры он становится источником тока.

(Учитель демонстрирует учащимся анимационный ролик 73 “Аккумулятор” из электронного приложения к учебнику.)

Демонстрация 6. Получение электрического тока с помощью фруктов или овощей. К клеммам гальванометра демонстрационного амперметра присоединим медные провода. К концу одного из них прикрепим исследуемый провод или гвоздь. Воткнем медный провод и гвоздь в картофелину или лимон — стрелка гальванометра отклонится.

— Почему? (Раствор минеральных солей, содержащихся в картофеле и лимоне, и разнородные проволоки образуют гальванический элемент.)

IV. Закрепление изученного материала

(Учитель проводит опрос-беседу.)

— Как можно получить электрический ток в металлическом проводнике?

— Что происходит в источниках тока?

— Что является положительным и отрицательным полюсами источника тока?

— Какие источники тока вы знаете?

— Возникает ли электрический ток при заземлении заряженного металлического шарика?

— Движутся ли заряженные частицы в проводнике, когда по нему идет ток?

— Если к шарам разноименно заряженных электроскопов одновременно прикоснуться металлическим стержнем, то в них возникает электрический ток. Чем эта установка принципиально отличается от устройств, которые принято называть источниками тока?

V. Рефлексия

(Ученики оценивают свою работу на уроке и качество усвоения материала по методу “Бассейн”.)

Каждый ученик с помощью магнита указывает свою фамилию на нарисованном на ватмане бассейне. Названия уровней бассейна:

1. Утонул в непонимании вначале.

2. Захлебнулся в середине дистанции.

3. Доплыл до финиша, но очень устал.

4. Доплыл с уверенностью до финиша.

5. Установил личный рекорд.

Домашнее задание

1. § 32 учебника, вопросы к параграфу.

2. Сборник задач В.И. Лукашика, Е.В. Ивановой: № 1233, 1236, 1239, 1241.

3. Подготовить доклад (по желанию). Примерные темы докладов: “Применение аккумуляторов в быту”, “Применение аккумуляторов в технике”.

4. Выполнить задание на с. 99 учебника (по желанию).

Дополнительный материал

Источники тока

Италия. Болонья. 1780 год. Профессор анатомии Луиджи Гальвани с двумя ассистентами препарируют лягушек. На столе в некотором отдалении стоит электрическая машина. Исследования по электричеству проводятся в научном мире весьма интенсивно. Уже описан электрический скат. Уже Б. Франклин извлек “электрический флюид” из туч с помощью воздушного змея, зарядил электроскоп и доказал идентичность атмосферного электричества тому, что образуется при натирании стекла. Еще не разделяют электрический заряд и электрический ток, но уже зреет мысль о единой природе всех видов электричества (до открытия электрона остается еще более 100 лет).

Один из ассистентов обращает внимание профессора: при касании скальпелем еще влажной мышцы она время от времени дергается, сокращается. Другой ассистент, работавший с электрической машиной, подметил, что мышца дергается всякий раз, когда в машине проскакивает электрическая искра.

Однажды влажные лапки лягушки были развешаны на медных крючках на железной решетке, окружавшей висящий садик дома Гальвани. Ясная погода, легкий ветерок колышет влажные лапки. Ни молний, ни заземления. А мышцы сокращались, когда касались свободным концом железной решетки! По слухам, это заметила супруга Гальвани, о чем и уведомила ученого криком.

Гальвани понял: электричество в атмосфере не было главным; все дело во влажной мышце и в металлах. И опыты продолжались на столе в лаборатории. Перебрав множество металлов, Гальвани выяснил, что наиболее сильные сокращения мышц происходят при контакте мышцы с медью и серебром.

Но здесь мысль Гальвани пошла по ложному пути: “Я полагаю с достаточным основанием заключить, что животным присуще электричество”.

Алессандро Вольта, профессор физики из Павии (Италия), с недоверием относился к “животному” электричеству. “…Что хорошего можно сделать с вещами, не приведенными к степени и мере, особенно в физике? Как можно определить причину, если не определить не только качество, но и количество, и интенсивность явлений?”

Итак, нужно измерять, оценивать интенсивность явления. Главная мысль Вольты: мышца лягушки не источник электричества, а всего лишь весьма чувствительный прибор для регистрации тока. А источником являются металлы — медь и серебро. Вольта заменяет лапку лягушки другим измерителем тока — собственным языком! При протекании тока язык ощущает кислый привкус, это Вольта установил из опытов с электрической машиной. Чем больше ток, тем сильнее ощущение кислоты.

Четыре года Вольта исследует различные пары металлов, добиваясь наибольшего эффекта. Позднее язык он заменил специальным электроскопом. Вот он, простейший и первый источник тока, созданный Вольтой! Но эффект слаб. Как его усилить? Казалось бы, что проще: соединить такие пары металлов последовательно, да побольше, подобно тому, как в карету впрягают несколько лошадей. Не тут-то было! Контакты металлов оказываются при этом обращенными и компенсируют действие друг друга. Вольта догадался разделить пары влажными кусочками ткани, играющими роль проводов.

А что же лапка лягушки — только измеритель тока? Позже ученые обнаружили, что если два металла (медь и цинк) опустить в раствор кислоты, то получается источник тока более мощный, чем вольтов столб! В этом источнике играет роль не столько контакт металлов, сколько контакт каждого из металлов с раствором кислоты. И это уже совсем другой источник тока, чем вольтов, и более сильный!

Так что напрасно Вольта решительно отказался от изучения роли мышцы. Содержащаяся в мышцах влага с растворенными солями, кислотами, щелочами указывала путь к еще одному источнику тока, который в честь Гальвани назвали гальваническим элементом.

Наука получила в свое распоряжение источник тока в 1799 г., о чем Вольта уведомил Королевское общество: “Мне удалось сделать два таких цилиндра из двух металлических пар, они мне служат хорошо уже несколько недель и, надо думать, послужат еще несколько месяцев…

Искренне Ваш А. Вольта”.

Химические источники тока одноразового действия

    Химические источники тока делятся на источники тока одноразового действия (гальванические элементы) и многоразового действия (аккумуляторы). [c.598]

    В основе медно-магниевого элемента лежит электрохимическая система Mg Na l u I. Он является типичным представителем группы водоактивируемых химических источников тока одноразового действия. Водоактивируемые батареи (их также называют наливными) вместе с ампульными и тепловыми батареями образуют класс активируемых, или резервных первичных источников тока. Их отличительная особенность заключается в том, что в период хранения электроды не контактируют с жидким электролитом и приводятся в рабочее состояние (активируются) непосредственно перед разрядом источника тока. [c.246]

    На кривых, характеризующих изменение напряжения при заряде аккумуляторов, соответственно наблюдаются две площадки при 1,6—1,64 и 1,9—2,0 В (рис. 173). При разряде аккумуляторов также наблюдаются две площадки, но при повышенных плотностях тока площадка, соответствующая более высокому напряжению, так мала, что практически весь разряд протекает при одном напряжении. Разряд систе- -йл мы оксид серебра — цинк протекает обычно без затруднений, но при заряде иногда встречаются осложнения, поэтому систему АдгО—(КОН)—2п часто используют в химических источниках тока одноразового действия. [c.405]

    ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА ОДНОРАЗОВОГО ДЕЙСТВИЯ [1, 4, 5] [c.320]

    Свинцово-цинковый элемент относится к категории ампульных химических источников тока одноразового действия. Ампульные батареи наряду с наливными и тепловыми батареями образуют группу резервных химических источников тока, получивпшх в последнее время широкое развитие. [c.220]

    Химические источники тока бывают однократного и многократного действия. Источники одноразового действия обычно называют первичными элементами или просто элементами, а источники многократного действия — аккумуляторами. [c.316]

    Гальванические первичные элементы. Гальваническими первичными элементами называют устройства для прямого преобразования химической энергии заключенных в них реагентов в электрическую энергию. Реагенты (окислитель и восстановитель) входят непосредственно в состав гальванического элемента и расходуются в процессе его работы. После расхода реагентов элемент не может больше работать. Таким образом, это источник тока одноразового действия, поэтому его еще называют первичным химическим источником тока. Гальванический элемент характеризуется э. д. с., напряжением, емкостью и энергией, которую он может отдать во внешнюю цепь. Э. д. с. элемента определяется термодинамическими функциями протекающих в нем процессов (см. 53). Напряжение элемента и меньше э. д. с. из-за поляризации электродов и омических потерь. [c.358]

    Первичные источники тока допускают лишь одноразовое использование заключенных в них активных материалов. Полностью разряженный гальванический элемент к дальнейшей работе не пригоден. В отличие от гальванических элементов аккумуляторы являются химическими источниками электрической энергии многоразового действия. [c.5]

    Безгазовые составы используются также для разогрева твердоэлектролитных ячеек. В США [(117] для этого разработан состав Z-2 — смесь порошков циркония с хроматом бария. Пластины ячейки изготовлены из N1 и Mg, а твердым электролитом служит эвтектическая смесь солей КС1 и Li l с некоторыми добавками деполяризаторов. Преимущество таких батарей заключается в том, что они полностью законсервированы химический процесс в них возникает только после расплавления электролита. Вместе с тем очевидно, что эти батареи — источник тока одноразового действия. Смесь ВаСп04 с 40% Zr при горении дает тепла 0,5 ккал/г (2,1 кДж/г) [lil7]. [c.276]

    ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, химические источники тока, состоящие из одной гальванич. ячейки. В состав такой ячейки входит ионпроводящий электролит, два разнородных электрода и реагенты (о принципе действия см. Химические источники тока). В нек-рых случаях электрохимически активный материал электрода может служить реагентом. Г. э. используют как самостоят. источники электрич. энергии или как составные части гальванич. батареи. Г. э. бывают одноразового использования (см. Первичные элементы), многократного действия (см. Аккумуляторы) и с непрерывной подачей реагентов (см. Топливные элементы). Ранее термин — Г. э. относился только к первичным элементам. [c.119]

    ПЕРВИЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, гальванические элементы одноразового использования (об устройстве и принципе действия П. э. см. Химические источники тока). После израсходования запаса реагентоБ П. э. становятся неработоспособными. Восстановителем, на отрицат. электроде служит обычно Zn, окислителем на положительном — оксиды Мп, Hg или др. металлов, а также соли. Разрядное напряжение П. э. 0,5—3,5 В, емкость 10″ — 10 А >4, уд. энергия [c.429]

    НОГО электрода химических источников тока со щелочным электролитом. Проблема применения железа в щелочных железо-никелевых аккумуляторах известна давно. Келезный электрод, имея достаточно хорошие поля ризационные характеристики, вместе с тем обладает большим недостатком — сильным саморазрядом в заряженном состоянии. Саморастворение заряженного железного электрода иротекает с сравнительно большой скоростью, и попытки уменьшения этой скорости применением разнообразных ингибиторов оказались до настоящего времени безрезультатными. Несколько иное полонгение наблюдается у железного электрода в гальванических элементах одноразового действия. Как показали исследования Р. X. Бурштейн, восстановленный железный электрод может быть в известных условиях пассивирован па воздухе. Скорость саморастворения такого пассивированного электрода в растворе мала с другой стороны, такое полупас-сивноо состояние не является препятствием для протекания основной токообразующей реакции анодного окисления железа в процессе работы элемента. Впоследствии работами, проведенными во [c.741]

    Химические источники электрической энергии бывают одноразового и многократного действия. ХИЭЭ одноразового использования называются первичными элементами, а многократного действия вторичными элементами или аккумуляторами. ИногДа первичные элементы называют просто элементами или гальваническими элементами . Аккумуляторами могут служить только такие химические источники электрической энергии, основные процессы в которых протекают обратимо. Вещества, израсходованные в процессе протекания реакции, дающей электрическую энергию, должны регенерироваться при пропускании через разряженный аккумулятор электрического тока от постороннего источника электрической энергии. Направление тока внутри аккумулятора при заряде будет обратным имевшемуся при разряде, на отрицательном электроде реакция окисления заменяется реакцией восстановления, а на положительном электроде реакция восстановления заменяется реакцией окисления. Таким образом, в аккумуляторах запас химической энергии, истраченной на получение электричес1 ой энергии при разряде, возобновляется при заряде. Так как напряжение одного отдельного первичного элемента или аккумулятора очень невелико — они в большинстве случаев применяются последовательно соединенными по несколько штук. В таком виде ХИЭЭ называют батареей . [c.464]

---

Что такое текущий источник?

Прочитав ваши комментарии, я дам несколько иной ответ на этот вопрос.

Что такое текущий источник? Ничего особенного, или, проще говоря, это просто математическая модель. Тот, который вы описываете, не существует, как не существует источника напряжения.

Я думаю, что основная проблема здесь связана с этим утверждением: , например, батарея, которая имеет постоянную разность потенциалов на концах независимо от изменений в цепи, в которой она подключена к , что неверно.Это поведение идеальной батареи, которая реальна как идеальный источник тока и как идеальный источник тока не существует. На выход (и внутреннее состояние) каждой реальной батареи влияет схема, к которой она подключена.

Так зачем нам источники напряжения и тока? Идея состоит в том, что работа инженера состоит в том, чтобы сконструировать устройство, которое делает что-то довольно хорошо и, как выясняется, для полного понимания того, как каждый компонент, используемый в устройстве, не нужен.Вот почему у нас есть такие вещи, как идеальные источники тока и напряжения.

Вернемся еще раз к примеру с батареей. Вот простой эксперимент, который я провел с литий-полимерным аккумулятором, который у меня есть: сначала я полностью зарядил аккумулятор. Поскольку это двухэлементный аккумулятор, его напряжение при полной зарядке составляло 8,4 В, хотя его номинальное напряжение составляет 7,4 В. Затем я подключил к аккумулятору резистор \ $ 100 \ mbox {} k \ Omega \ $. Его напряжение осталось 8,4 В, и из этого я мог бы сделать вывод, что батарея действительно является идеальным источником напряжения, так как я подключил к ней нагрузку, но ее напряжение не изменилось.Затем я взял электродвигатель, который у меня есть, подключил его к батарее и снова измерил напряжение батареи. На этот раз оно составило 8,2 В. Очевидно, что двигатель повлиял на батарею, и она больше не является идеальным источником напряжения, хотя это та же батарея, что и раньше. Итак, я отключил двигатель и снова подключил резистор, и снова напряжение на батарее было 8,4 В.

Так что здесь происходит? Аккумулятор — идеальный источник напряжения или нет? Мы знаем, что это не потому, что я сказал об этом в начале ответа, но здесь я объясню, почему иногда кажется, что это так, а иногда кажется, что это не так.Как я уже сказал, источник напряжения — это математическая модель. Когда внешняя цепь не оказывает большого влияния на работу батареи, я могу ее использовать, а когда внешняя цепь действительно оказывает большое влияние на батарею, я не могу ее использовать. Итак, мы используем простую модель для представления поведения реальной схемы. Другая модель — использовать идеальный источник напряжения с последовательно включенным резистором на выходе. Когда я подключаю к этой цепи внешнюю нагрузку, на внутреннем резисторе будет падать некоторое напряжение, а на выходе внешнего резистора будет более низкое напряжение.Это позволяет мне снова использовать идеальный источник напряжения для представления батареи, и, поскольку я использую внутренний резистор вместе с идеальным источником напряжения, выходной сигнал будет более точно отражать поведение реальной батареи. Если мне нужна более высокая точность, я могу решить использовать более сложную модель и получить более точные результаты.

Важным моментом в электротехнике является изучение того, когда использовать правильную модель для представления чрезвычайно сложного компонента реальной схемы (и даже скромный резистор при детальном анализе является шедевром современной науки).Но чтобы сделать это, мы начнем с простых схем, чтобы понять, как на самом деле работают простейшие математические модели.

Когда мы начинаем анализ более сложных компонентов схемы, таких как, например, транзистор или диод, мы разбиваем их на простую схему, состоящую из таких элементов, как резисторы и идеальные источники тока и напряжения. Это позволит нам упростить поведение более сложного компонента и избежать подробного анализа того, как он работает, если для наших нужд достаточно простой модели.

Полностью такая же история работает с источниками тока, но я решил не рассказывать ее здесь, поскольку, как вы можете видеть из других ответов, схемы, которые можно смоделировать как идеальные источники тока, слишком сложны для понимания на данном этапе.

Итак, подведем итоги: не существует реальных объектов, которые можно было бы использовать для представления идеальных источников напряжения и тока, но есть некоторые объекты, которые могут быть (в некоторых случаях довольно точно) представлены идеальными источниками напряжения и тока.Лучшее, что вы можете сделать сейчас, — это правильно запомнить определения идеальных источников напряжения и тока и не путать их с реальными объектами. Таким образом, вы не удивитесь, если батарея не обеспечивает свое номинальное напряжение или если цепь, обозначенная как идеальный источник тока, в какой-то момент начнет дымиться, хотя она должна быть полностью невосприимчивой к внешним изменениям в цепи.

В качестве примечания рассмотрим, что происходит с идеальным источником напряжения, когда его выходы закорочены, и что происходит с идеальным источником тока, когда его выходы разомкнуты? И что происходит, когда вы закорачиваете батарею, и почему на всех батареях есть предупреждение, чтобы не закорачивали выходные контакты?

батарей — есть ли какое-либо физическое устройство, называемое источником тока?

Давайте представим очень простую схему — например, источник постоянного напряжения, который обеспечивает разность потенциалов в 1 вольт на сопротивлении в 1 Ом, что вызывает протекание тока в 1 ампер.Если вы затем разорвали цепь на стороне низкого напряжения (между резистором и землей), а затем добавили мультиметр последовательно с резистором, вы бы измерили ток в 1 ампер.

^{смоделировать эту схему — Схема создана с помощью CircuitLab}

Если описанная мною схема является эквивалентом Тевенина, то с точки зрения «анализа схемы» источник тока больше похож на преобразование Нортона.

Если вы затем подумали обо всей системе, включая источник напряжения, как о «черном ящике» и имеющем только два выхода (клеммы, к которым подключается мультиметр), то вы могли бы назвать это источником тока.

Однако, если вы затем попытаетесь подключить нагрузку к этому источнику тока, вы обнаружите, что ток изменится (из-за закона Ома, действующего в черном ящике).

Итак, существуют практические схемы, которые могут быть построены из совокупностей операционных усилителей или других полупроводниковых материалов, обладающих «эффектом постоянного тока». Однако ни один из них не является чистым «источником тока».

Вы говорите, что аккумулятор — это «источник напряжения».

Однако без резистора, подключенного для протекания тока, батарея не может рассеивать электрическую энергию, поэтому ваш источник напряжения не может делать ничего полезного, не позволяя току течь.Определение тока — это скорость потока заряда. Хорошее определение напряжения — это электрическая энергия на единицу заряда. Разделить два на «источники» сложно, потому что:

(а) пучки электронов, которые мы называем кулонами, не будут двигаться и создавать явления, которые мы называем «током», без движения электронов.

(b) разность потенциалов или работа, совершаемая против электронного поля при перемещении заряда из физической точки a в физическую точку b, также требует движения.

Я пытаюсь сказать, что напряжение и ток не возникают независимо, когда источник (называем мы его током или напряжением) подает энергию на нагрузку, поэтому я думаю, что концептуально сложно «думать» об этом. источники напряжения и тока как будто они разные.

источников тока | Analog Devices

Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, но другие необязательны для функциональной деятельности. Сбор наших данных используется для улучшения наших продуктов и услуг. Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы обеспечить максимальную производительность и функциональность нашего сайта. Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть сведения о файлах cookie. Узнайте больше о нашей политике конфиденциальности.

Принять и продолжить Принять и продолжить

Файлы cookie, которые мы используем, можно разделить на следующие категории:

Строго необходимые файлы cookie:

Это файлы cookie, которые необходимы для работы аналога.com или предлагаемые конкретные функции. Они либо служат единственной цели передачи данных по сети, либо строго необходимы для предоставления онлайн-услуг, явно запрошенных вами.

Аналитические / рабочие файлы cookie:

Эти файлы cookie позволяют нам выполнять веб-аналитику или другие формы измерения аудитории, такие как распознавание и подсчет количества посетителей и наблюдение за тем, как посетители перемещаются по нашему веб-сайту. Это помогает нам улучшить работу веб-сайта, например, за счет того, что пользователи легко находят то, что ищут.

Функциональные файлы cookie:

Эти файлы cookie используются для распознавания вас, когда вы возвращаетесь на наш веб-сайт. Это позволяет нам персонализировать наш контент для вас, приветствовать вас по имени и запоминать ваши предпочтения (например, ваш выбор языка или региона). Потеря информации в этих файлах cookie может сделать наши службы менее функциональными, но не помешает работе веб-сайта.

Целевые / профилирующие файлы cookie:

Эти файлы cookie записывают ваше посещение нашего веб-сайта и / или использование вами услуг, страницы, которые вы посетили, и ссылки, по которым вы переходили.Мы будем использовать эту информацию, чтобы сделать веб-сайт и отображаемую на нем рекламу более соответствующими вашим интересам. Мы также можем передавать эту информацию третьим лицам с этой целью.

Отклонить файлы cookie

Текущие источники — Electronics-Lab.com

Введение

Продолжая руководство по источникам напряжения, мы представляем в этой статье источники тока , которые являются вторым типом электрических источников, которые мы рассмотрим.

Аналогично тому, что было сделано для источников напряжения, мы сначала представим концепцию идеальных источников тока , в которой обсуждаются их особенности и характеристики.

В реальных схемах, однако, идеальные источники тока не могут быть найдены, поскольку в этой модели появляются некоторые парадоксы и невозможности. Мы выделяем эти практические источники как реальных источников тока , и мы увидим, в чем их отличия от идеальной модели. Правила соединения между двумя или несколькими источниками тока также обсуждаются далее в том же разделе.

Наконец, последний раздел подробно описывает зависимых источников тока , которые являются источниками тока, управляемыми напряжением или током.

Презентация

Идеальный источник тока — это устройство, которое может подавать постоянное и стабильное значение тока независимо от напряжения, которое должно подаваться на конкретную выходную нагрузку. Идеальные источники тока представлены двойным кружком или стрелкой внутри круга, как показано на рис. 1 ниже :

Рис.1: Идеальный источник тока, питающий нагрузку с полным сопротивлением Z (слева) и связанной с ним вольт-амперной характеристикой (справа)

Характеристика идеального источника тока иногда представлена ​​I = f (V), как в приведенном выше представлении на рис. 1 . , строго математически говоря, не функция, а распределение.

Источники реального тока

Внутренние потери мощности, которые имеют место в источнике тока, можно моделировать с помощью резистора (R _S ), подключенного параллельно. ВАХ больше не плоская, но, например, для источников напряжения, скорректирована с наклоном значения -1 / R _s , как показано на Рисунок 2 :

рис 2: Реальный источник тока, питающий нагрузку с полным сопротивлением Z (слева) и связанной с ним вольт-амперной характеристикой (справа)

Мы можем отметить, что идеальный источник тока эквивалентен реальному источнику, сопротивление которого R _S стремится к + ∞ (разомкнутая цепь).

Правила подключения

В этом подразделе мы подчеркиваем тот факт, что необходимо учитывать некоторые правила подключения при интеграции источников тока в цепь.

Прежде всего, нельзя размещать клеммы источника тока в разомкнутой цепи:

рис. 3: Источник тока в разомкнутой цепи, запрещенное соединение

Сопротивление разомкнутой цепи равно + ∞, когда источник обеспечивает ток, не равный нулю, величина напряжения стремится к + ∞, что невозможно.На практике напряжение будет увеличиваться до его значения пробоя , заставляя воздух / вакуум между выводами источника становиться проводящим. Это явление часто приводит к разрушению источника или хотя бы одного из его компонентов.

Кроме того, запрещено последовательное соединение двух или многих источников тока, даже если оба источника выдают одинаковое значение тока.

рис 4: Источники тока в последовательной конфигурации, запрещенное соединение

Причина, по которой этот тип подключения не разрешен, заключается в том, что нельзя предсказать эквивалентную схему: будут ли добавлены источники, или только одна будет эффективно работать?

Ток в ветви цепи может принимать только одно значение, не может быть наложения множества токов.

Наконец, параллельное соединение источников тока абсолютно разрешено и рекомендуется для получения более высокого выходного тока:

рис. 5: Источники тока в параллельной конфигурации, разрешенное соединение

Как показано на второй схеме в , рис. 5 , значения также можно вычесть, если один из источников ориентирован в противоположном направлении.

В параллельной конфигурации выходной ток представляет собой алгебраическую сумму источников тока, участвующих в процессе питания.

Зависимые источники

В предыдущих разделах, был представлен независимый источник тока , и их значение фиксировано и зависит только от конструкции источника.

Текущее значение зависимых источников тока можно настроить с помощью внешнего параметра. Существует два типа зависимых источников тока: Источники тока с регулируемым напряжением (VCCS), и Источники тока с регулируемым током (CCCS), . На принципиальной схеме источники, зависящие от тока, обозначены стрелкой (в направлении тока), окруженной ромбовидным узором:

рис.6: VCCS (слева) и CCCS (справа)

Источник тока, управляемый напряжением

Для этого типа зависимого источника тока характер входа (напряжения) отличается от выхода (тока), коэффициент связи обозначен как σ = 1 / R и представляет собой проводимость в Сименсе (S) или Ω ^{. -1} .

Мы проиллюстрируем, как может выглядеть простая схема, содержащая VCCS, на рис. 7 и покажем, как вычислить ее вход.

Рис. 7: Схема VCCS

Поскольку источник напряжения V ₁ питает делитель напряжения 1 кОм / 1 кОм, вход VCCS определяется выражением V _IN = V ₁ /2 = 5 В. Поскольку коэффициент усиления VCCS составляет 0,2 S, выходной ток зависимого источника I _S = 0,2 × V _IN = 1 A . Выходное напряжение просто вычисляется путем применения закона Ома к резистору R ₃ , мы получаем В _S = I _S × R ₃ = 200 В .

Примером VCCS является усилитель MOSFET, который представляет собой транзистор на основе влияния напряжения:

Рис.8: Пример VCCS, MOSFET обеспечивает выходную нагрузку R _L

В качестве VCCS усилитель MOSFET принимает в качестве входа напряжение, известное как напряжение затвора , и выдает выходной ток, известный как ток стока .

Мы можем утверждать, что полевой МОП-транзистор действительно является источником тока, посмотрев на его характеристику I _D = f (V _DS ):

рис. 9: Выходная характеристика полевого МОП-транзистора

В зависимости от напряжения управляющего затвора (V _GS ) характеристика усилителя полевого МОП-транзистора становится плоской после определенного значения выходного напряжения V _DS .Эта характеристика в области насыщения типична для источника тока.

Источник тока с регулируемым током

В случае CCCS вход и выход имеют одинаковую природу (токи), поэтому коэффициент усиления является безразмерной величиной, обозначенной k .

Мы снова проиллюстрируем аналогичную схему, которая объединяет CCCS, чтобы прояснить, как получить выходные величины:

Рис 10: Схема CCCS

Входной ток, управляющий CCCS, здесь определяется непосредственно законом Ома: I _IN = V ₁ / (R ₁ + R ₂ ) = 5 мА .Выходной ток получается умножением входного тока на коэффициент усиления k, I _S = k.I _IN = 3 мА . Наконец, выходное напряжение снова определяется применением закона Ома к резистору R ₃ , В _S = I _S × R ₃ = 0,6 В .

Примерами CCCS являются усилители на основе биполярных переходных транзисторов (BJT), читатель может обратиться к руководствам по усилителю с общим эмиттером и усилителю с общим коллектором, чтобы получить более подробную информацию.

Рисунок 11 — график выходной характеристики в коллекторной ветви (C) для нескольких командных базовых токов (I _B ):

рис. 11: BJT-вольт-амперная характеристика

Мы снова распознаем плоскую вольт-амперную функцию после определенного значения напряжения, типичного для источника тока, точно такого как для усилителя MOSFET.

Заключение

Чтобы концептуализировать источники тока, мы сначала представили идеальных источников тока , которые не являются настоящими устройствами, а скорее идеальной конструкцией.Идеальные источники тока обеспечивают постоянное и стабильное значение выходного тока независимо от значения напряжения на выходной нагрузке. Они идентифицируются по плоской ВАХ, которая предполагает, что может быть обеспечено бесконечное количество энергии.

Источники реального тока, однако, имеют небольшую крутизну характеристики ВАХ , чтобы учесть внутренние потери мощности. Величина этого наклона определяется проводимостью сопротивления источника, размещенного параллельно источнику.Сопротивление источника физически отсутствует в устройстве, но это скорее способ объяснить и упростить расчеты.

Более того, мы видели, что некоторые правила подключения должны быть приняты во внимание при проектировании цепей, включающих источники тока. Не рекомендуется размещать источник тока в разомкнутой цепи и объединять в сети два или более источника. Однако параллельное соединение приемлемо, поскольку это полезный метод, который может увеличить выходной ток.

Наконец, мы увидели, что некоторыми специальными источниками тока можно управлять с помощью внешнего элемента схемы. Они известны как зависимых источников , и для текущих источников существует два типа:

1. Источники тока с регулируемым напряжением (VCCS)
2. Источники тока с регулируемым током (CCCS)

Типичными примерами источников, зависящих от тока, являются полевые МОП-транзисторы (VCCS) и BJT-транзисторы (CCCS).

Руководство по выбору источников тока

: типы, функции, приложения

Описание

Источники тока обеспечивают надежные уровни тока для тестирования электрических компонентов и для питания специализированных компонентов, таких как лазеры.Уровни тока (или мощности) останутся постоянными при изменении импеданса нагрузки.

Источники тока используются в широком спектре тестовых приложений, таких как реле, автоматические выключатели, вспомогательные компоненты и измерители мощности.

Типы

Типы источников тока

включают монтаж на печатную плату, монтаж на печатной плате или плате, лабораторный стол или переносную конфигурацию, монтаж в стойку, монтаж на DIN-рейку, а также отдельно стоящий или шкаф.

Технические характеристики

Наиболее важными характеристиками, которые следует учитывать при поиске источников тока, являются выходные характеристики. К ним относятся:

• Переменный ток — Источник переменного тока имеет как минимум один выход, обеспечивающий переменный ток.

• Постоянный ток — Источник с выходом постоянного тока имеет как минимум один выход, обеспечивающий постоянный ток.

• Фаза тока — Однофазный ток имеет один переменный сигнал.Трехфазный ток имеет три сигнала тока, обычно сдвинутых по фазе на 120 ° друг с другом.

• Выходной ток — Выходной ток соответствует требуемому полному диапазону выходного тока.

• Выходное напряжение — Выходное напряжение является максимально требуемым выходным напряжением.

• Выходная мощность — Выходная мощность — это требуемая номинальная мощность источника тока.

Управление выходом

Управление выходом источников тока — это выходное значение, которое контролируется, чтобы обеспечить контур обратной связи для источника тока, чтобы он мог регулировать выбранный выход в ответ на меняющиеся условия, такие как нагрузка, сетевое питание, температура и т. Д.При постоянном выходном токе управляющий ток поддерживается стабильным во время колебаний нагрузки. При постоянной выходной мощности управляющая мощность (ВА) остается постоянной во время колебаний нагрузки. Постоянный контроль выходной оптической мощности предназначен для управления лазером; Обратная связь фотодиода контролирует выходной сигнал для поддержания постоянного света. Источники тока могут иметь один или несколько каналов.

Пользовательский интерфейс

Параметры текущих источников для пользовательских интерфейсов включают:

• Локальные интерфейсы — Это могут быть аналоговые или цифровые передние панели.

• Удаленные интерфейсы — Выбор включает мониторы аналоговых сигналов, средства управления аналоговыми сигналами и компьютерные интерфейсы.

• Компьютерный интерфейс — Варианты компьютерного или сетевого интерфейса включают последовательный и параллельный.

Дисплей

Типы дисплеев

могут быть аналоговыми измерителями или индикаторами, цифровыми индикаторами или терминалами видеодисплея.

Характеристики

Общие функции включают:

• Мониторы выходного тока

• Регулировка угла сдвига фаз

• Генераторы импульсов

• Удаленный запуск

• Источник напряжения

Некоторые источники тока оснащены прикладным программным обеспечением для управления или мониторинга характеристик источника питания.

Список литературы

Кредиты изображений:

Block USA, Inc. | Dytran Instruments, Inc.

Источник напряжения и источник тока — идеальный вариант по сравнению с практичным

Источник — это устройство, преобразующее механическую, химическую, тепловую или другую форму энергии в электрическую. Типы источников, доступных в электрической сети, — это источник напряжения и источник тока .Источник напряжения используется для подачи напряжения на нагрузку, а источник тока используется для подачи тока.

Источник напряжения

Источник напряжения — это устройство, которое обеспечивает постоянное напряжение для нагрузки в любой момент времени и не зависит от тока, потребляемого от него. Этот тип источника известен как идеальный источник напряжения. Практически невозможно сделать идеальный источник напряжения. У него нулевое внутреннее сопротивление. Обозначается этим символом.

Обозначение источника напряжения

Идеальный источник напряжения

График представляет изменение напряжения источника напряжения во времени.Он постоянен в любой момент времени.

Источники напряжения с некоторым внутренним сопротивлением известны как практические источники напряжения. Из-за этого внутреннего сопротивления происходит падение напряжения. Если внутреннее сопротивление велико, на нагрузку будет подаваться меньшее напряжение, а если внутреннее сопротивление меньше, источник напряжения будет ближе к идеальному источнику напряжения. Таким образом, практический источник напряжения обозначается последовательным сопротивлением, которое представляет внутреннее сопротивление источника.

Практический источник напряжения

График отображает напряжение источника напряжения в зависимости от времени. Это непостоянно, но с течением времени продолжает уменьшаться.

Источник тока

Источник тока — это устройство, которое обеспечивает постоянный ток для нагрузки в любое время и не зависит от напряжения, подаваемого в цепь. Этот тип тока известен как идеальный источник тока; практически идеального источника тока также нет. У него бесконечное сопротивление.Обозначается этим символом.

Символ источника тока

Идеальный источник тока

График представляет изменение тока источника тока во времени. Он постоянен в любой момент времени.

Почему идеальный источник тока имеет бесконечное сопротивление?

Источник тока используется для питания нагрузки, так что нагрузка включается. Мы стараемся подавать на нагрузку 100% мощности. Для этого мы подключаем некоторое сопротивление для передачи 100% мощности на нагрузку, потому что ток всегда идет по пути наименьшего сопротивления.Итак, чтобы ток пошел по пути наименьшего сопротивления, мы должны подключить сопротивление выше нагрузки. Вот почему у нас есть идеальный источник тока с бесконечным внутренним сопротивлением. Это бесконечное сопротивление не повлияет на источники напряжения в цепи.

Практический источник тока

На практике источники тока не имеют бесконечного сопротивления, но имеют конечное внутреннее сопротивление. Таким образом, ток, подаваемый практическим источником тока, непостоянен и также в некоторой степени зависит от напряжения на нем.

Практический источник тока представляет собой идеальный источник тока, подключенный параллельно с сопротивлением.

Практический источник тока

График представляет ток источника тока в зависимости от времени. Это непостоянно, но со временем продолжает уменьшаться.

Примеры источников тока и напряжения

Примерами источников тока являются солнечные элементы, транзисторы, а примерами некоторых источников напряжения являются батареи и генераторы переменного тока.

Речь шла об идеальных и практичных источниках энергии. Идеальные источники очень полезны для теоретических расчетов, но поскольку идеальные источники практически невозможны, в практических схемах используются только практические источники. Батареи, которые мы используем, являются практическим источником энергии, а напряжение и ток уменьшаются по мере их использования. Таким образом, оба они полезны для нас по-своему.

Источники тока и зачем они нам

Все инженеры знакомы с источниками напряжения, такими как батареи или источники переменного / постоянного тока, и хорошо знают их.Функция источника напряжения, представленная простым символом, понятна: подавать как можно меньший или как можно больший ток (до максимального предела тока) при заданном, заданном напряжении; это значение напряжения может быть фиксированным или переменным в конструкции.

Источники напряжения, конечно же, имеют функциональное дополнение: источник тока. Его роль заключается в обеспечении заданного значения тока при любом необходимом напряжении (опять же, до максимального напряжения, называемого напряжением согласования и аналогичного максимальному току источника напряжения).Источник тока необходим, потому что есть компоненты и системы, которые должны видеть конкретное значение тока, а не конкретное значение напряжения.

Типовые обозначения источников тока.

Может показаться, что в источнике тока нет необходимости, поскольку разработчик всегда может отрегулировать напряжение, чтобы обеспечить желаемую величину тока. В некотором смысле это верно, поскольку ток и напряжение связаны законом Ома (V = I × R). Но использование источника напряжения таким образом дает непостоянный источник тока.Вопрос в том, является ли ток или напряжение независимой или зависимой переменной. Другими словами, нужен ли вам ток, чтобы следовать за напряжением, или напряжение, чтобы следовать за током.

Где нужны источники тока?

Хорошим примером приложения, которому требуется источник тока, является последовательность светодиодов. Светодиоды обеспечивают световой поток за счет протекающего через них тока и определяются кривой зависимости тока от мощности. Для номинального выхода типичного светодиода требуется 20 мА, поэтому цепочка может питаться от источника тока 20 мА.Даже если добавлен еще один светодиод, используется тот же источник тока.

Этого не было бы, если бы вместо него использовался источник напряжения. Предположим, что каждый светодиод имеет прямое падение напряжения V _F , равное 1,5 В. Предположим, что ток на светодиоды поступает от источника напряжения с токоограничивающим резистором, рассчитанным на пропускание тока только 20 мА с учетом суммы эти капли. В этом случае светодиодная цепочка будет работать правильно. Но если добавить светодиод или закоротить один, ток от этого источника напряжения больше не будет 20 мА: он упадет с добавлением светодиода или повысится при коротком замыкании.

Напротив, при использовании настоящего источника тока количество светодиодов в цепочке не имеет значения. Максимальное количество светодиодов, которые могут обрабатываться, является функцией согласованного напряжения источника тока, которое должно превышать сумму всех падений диодов. Кроме того, в схеме не требуется последовательно подключать резистор для задания тока, поскольку источник тока по своей сути устанавливает правильное значение.

Еще одно широко используемое применение источника тока — это промышленные контуры управления технологическим процессом, для передачи аналоговых показаний от датчиков, а также для отправки аналоговых управляющих сигналов на исполнительные механизмы.В сфере управления в течение многих лет используется простая токовая петля от 4 до 20 мА, где 4 мА представляет собой минимальное значение выхода датчика / настройки исполнительного механизма, а 20 мА используется для максимального значения.

Почему здесь используется токовая петля, а не сигнал напряжения? Две причины. Во-первых, при обрыве провода в контуре ток падает до нуля, что легко и быстро обнаруживается. Напротив, обрыв провода, передающего сигнал напряжения, нелегко распознать и может давать ложные напряжения, которые выглядят допустимыми.

Во-вторых, источник тока и его контур образуют по своей сути топологию с низким импедансом, а источник напряжения — это конфигурация с высоким импедансом. Следовательно, токовая петля гораздо менее восприимчива к шуму от близлежащих источников электромагнитных / радиопомех, тогда как шум может легко улавливаться схемой напряжения.

Базовый источник тока может быть построен из источника напряжения и резистора, включенного последовательно, такого размера, чтобы ограничить ток до заданного значения, используя закон Ома. Этот подход иногда используется в недорогих приложениях, где точность и постоянство не важны, потому что любое изменение нагрузки приведет к изменению тока.Кроме того, резистор рассеивает мощность, что ограничивает время работы (при использовании батареи) и увеличивает тепловую нагрузку.

Лучше начать с транзистора в конфигурации с общим эмиттером, где нагрузка через коллектор является функцией тока база-эмиттер по хорошо известному уравнению:

I _C = β × I _B ,

В базовом источнике тока используется принцип усиления по току однотранзисторной схемы. Установка тока база-эмиттер также устанавливает ток коллектора.

, где I _C = ток коллектора; β = усиление транзистора и зависит от конструкции транзистора; I _B = базовый ток, установленный конструкцией базовой цепи. Этот подход используется в качестве основы для многих источников тока с различными улучшениями для поддержания стабильности и точности. Источники тока доступны в виде микросхем, которые подают ток в несколько миллиампер или 20 мА для промышленных контуров, вплоть до модулей, которые обеспечивают много ампер с соответствующими напряжениями в десятки или сотни вольт.

Простой операционный усилитель с резистором — это все, что нужно для преобразования небольшого тока в напряжение.

При использовании с источником тока светодиоды «преобразуют» ток в свет. Однако во многих схемах необходимо преобразовать ток в напряжение, которое будет использоваться остальной схемой (например, усиление, фильтрация и аналого-цифровое преобразование). К счастью, построить преобразователь тока в напряжение (так называемый преобразователь I / V) несложно. Ток пропускается через резистор, и операционный усилитель определяет и усиливает напряжение на резисторе.Номинал резистора рассчитывается для обеспечения желаемого масштабного коэффициента.