التيار الكهربائي ، مصادر التيار الكهربائي: التعريف والجوهر

2024 مؤلف: Henry Conors | [email protected]. آخر تعديل: 2024-02-12 03:43

من مسار الفيزياء ، يعلم الجميع أن التيار الكهربائي يعني الحركة المنظمة الموجهة للجسيمات التي تحمل شحنة. للحصول عليه ، يتم تشكيل مجال كهربائي في الموصل. نفس الشيء ضروري لكي يستمر التيار الكهربائي في الوجود لفترة طويلة.

يمكن أن تكون مصادر التيار الكهربائي:

• ثابت ؛
• مادة كيميائية ؛
• ميكانيكي
• أشباه الموصلات.

في كل منها ، يتم تنفيذ العمل ، حيث يتم فصل الجسيمات المشحونة بشكل مختلف ، أي يتم إنشاء مجال كهربائي لمصدر تيار. منفصلة ، تتراكم عند القطبين ، عند نقاط اتصال الموصلات. عندما يتم توصيل القطبين بواسطة موصل ، تبدأ الجسيمات المشحونة في التحرك ، ويتشكل تيار كهربائي.

مصادر التيار الكهربائي: اختراع الآلة الكهربائية

حتى منتصف القرن السابع عشر ، استغرق الأمر الكثيرجهود. في الوقت نفسه ، يتزايد عدد العلماء الذين يتعاملون مع هذه القضية. وهكذا اخترع أوتو فون جويريك أول سيارة كهربائية في العالم. في إحدى تجارب الكبريت ، ذاب داخل كرة زجاجية مجوفة ، ثم قاسى الزجاج وكسره. قام Guericke بتقوية الكرة بحيث يمكن أن تلتوي. قام بتدويره والضغط على قطعة من الجلد ، حصل شرارة. سهّل هذا الاحتكاك بشكل كبير توليد الكهرباء على المدى القصير. لكن المشاكل الأكثر صعوبة لم تحل إلا مع مزيد من التطوير العلمي.

كانت المشكلة أن اتهامات Guerike اختفت بسرعة. لزيادة مدة الشحن ، تم وضع الجثث في أوعية مغلقة (قوارير زجاجية) ، وكانت المادة المكهربة عبارة عن ماء بمسمار. تم تحسين التجربة عندما تمت تغطية الزجاجة من كلا الجانبين بمادة موصلة (صفائح من رقائق معدنية ، على سبيل المثال). ونتيجة لذلك ، أدركوا أنه من الممكن الاستغناء عن الماء.

أرجل الضفدع كمصدر للطاقة

تم اكتشاف طريقة أخرى لتوليد الكهرباء لأول مرة بواسطة لويجي جالفاني. كعالم أحياء ، عمل في مختبر حيث جربوا الكهرباء. لقد رأى كيف تنقبض ساق ضفدع ميت عندما تحمس بسبب شرارة من آلة. لكن ذات يوم ، تحقق نفس التأثير عن طريق الصدفة عندما لمسها عالم بمشرط فولاذي.

بدأ في البحث عن أسباب مصدر التيار الكهربائي. مصادر التيار الكهربائي ، حسب استنتاجه النهائي ، كانت في أنسجة الضفدع.

إيطالي آخر ، أليساندرو فولتو ، أثبت فشل طبيعة "الضفدع" الحالية. وقد لوحظ أن أكبر تيارنشأت عندما أضيف النحاس والزنك إلى محلول حمض الكبريتيك. تسمى هذه المجموعة بالخلية الجلفانية أو الكيميائية.

لكن استخدام مثل هذه الأداة للحصول على EMF سيكون مكلفًا للغاية. لذلك عمل العلماء على طريقة ميكانيكية مختلفة لإنتاج الطاقة الكهربائية.

كيف يعمل المولد العادي؟

في أوائل القرن التاسع عشر ، ج. اكتشف أورستد أنه عندما يمر تيار عبر موصل ، ينشأ مجال ذو أصل مغناطيسي. بعد ذلك بقليل ، اكتشف فاراداي أنه عندما تتقاطع خطوط القوة في هذا المجال ، يتم تحفيز EMF في الموصل ، مما يتسبب في حدوث تيار. تختلف المجالات الكهرومغناطيسية اعتمادًا على سرعة الحركة والموصلات نفسها ، وكذلك على شدة المجال. عند عبور مائة مليون خط قوة في الثانية ، أصبح المجال الكهرومغناطيسي المستحث يساوي فولت واحد. من الواضح أن التوصيل اليدوي في المجال المغناطيسي غير قادر على إنتاج تيار كهربائي كبير. أظهرت مصادر التيار الكهربائي من هذا النوع نفسها بشكل أكثر فاعلية من خلال لف السلك على ملف كبير أو إنتاجه على شكل أسطوانة. تم تركيب الملف على عمود بين مغناطيس وماء أو بخار دوار. مثل هذا المصدر الميكانيكي الحالي متأصل في المولدات التقليدية.

تسلا العظمى

العالم اللامع من صربيا نيكولا تيسلا ، بعد أن كرس حياته للكهرباء ، قام بالعديد من الاكتشافات التي ما زلنا نستخدمها حتى اليوم. الآلات الكهربائية متعددة الأطوار ، المحركات الكهربائية غير المتزامنة ، نقل الطاقة من خلال التيار المتردد متعدد الأطوار - هذه ليست القائمة الكاملة.اختراعات العالم العظيم.

يعتقد الكثير أن الظاهرة في سيبيريا ، والتي تسمى نيزك تونجوسكا ، كانت في الواقع سببها تسلا. لكن ربما يكون أحد أكثر الاختراعات غموضًا هو المحول القادر على استقبال جهد يصل إلى خمسة عشر مليون فولت. غير المعتاد هو جهازه وحساباته التي لا تخضع للقوانين المعروفة. لكن في تلك الأيام بدأوا في تطوير تقنية الفراغ ، حيث لم يكن هناك أي غموض. لذلك نسي اختراع العالم فترة.

لكن اليوم ، مع ظهور الفيزياء النظرية ، هناك اهتمام متجدد بعمله. تم التعرف على الأثير على أنه غاز ، تنطبق عليه جميع قوانين ميكانيكا الغاز. ومن هناك استمدت سيارة تسلا العظيمة الطاقة. ومن الجدير بالذكر أن نظرية الأثير كانت شائعة جدًا في الماضي بين العديد من العلماء. فقط مع ظهور SRT - نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين ، والتي دحض فيها وجود الأثير - تم نسيانها ، على الرغم من أن النظرية العامة التي تمت صياغتها لاحقًا لم تنازعها على هذا النحو.

لكن في الوقت الحالي ، دعونا نتحدث عن التيار الكهربائي والأجهزة الموجودة في كل مكان اليوم.

تطوير الأجهزة التقنية - المصادر الحالية

تستخدم هذه الأجهزة لتحويل الطاقة المختلفة إلى طاقة كهربائية. على الرغم من حقيقة أن الطرق الفيزيائية والكيميائية لتوليد الطاقة الكهربائية قد تم اكتشافها منذ زمن طويل ، إلا أنها لم تنتشر إلا في النصف الثاني من القرن العشرين ، عندما بدأت تتطور بسرعة.إلكترونيات الراديو. تم تجديد الأزواج الجلفانية الخمسة الأصلية بـ 25 نوعًا آخر. ومن الناحية النظرية ، يمكن أن يكون هناك عدة آلاف من الأزواج الجلفانية ، حيث يمكن تحقيق الطاقة الحرة على أي مؤكسد ومختزل.

مصادر التيار المادي

بدأت المصادر المادية الحالية في التطور بعد ذلك بقليل. جعلت التكنولوجيا الحديثة متطلبات أكثر وأكثر صرامة ، وتكيفت المولدات الحرارية والحرارية الصناعية بنجاح مع المهام المتزايدة. مصادر التيار الفيزيائي هي الأجهزة التي يتم فيها تحويل الطاقة الحرارية والكهرومغناطيسية والميكانيكية والإشعاعية والنووية إلى طاقة كهربائية. بالإضافة إلى ما سبق ، فهي تشمل أيضًا آلة كهربائية ، ومولدات MHD ، وكذلك تلك المستخدمة لتحويل الإشعاع الشمسي والانحلال الذري.

لكي لا يختفي التيار الكهربائي في الموصل ، هناك حاجة إلى مصدر خارجي للحفاظ على فرق الجهد في نهايات الموصل. لهذا ، يتم استخدام مصادر الطاقة التي لديها بعض القوة الدافعة الكهربائية لخلق والحفاظ على فرق الجهد. يتم قياس EMF لمصدر التيار الكهربائي من خلال العمل المنجز عن طريق نقل شحنة موجبة عبر دائرة مغلقة.

المقاومة داخل المصدر الحالي تميزه كميًا ، وتحديد مقدار فقد الطاقة عند المرور عبر المصدر.

القوة والكفاءة مساوية لنسبة الجهد في الدائرة الكهربائية الخارجية إلى EMF.

مصادر كيميائيةالحالي

مصدر تيار كيميائي في دائرة كهربائية EMF هو جهاز يتم فيه تحويل طاقة التفاعلات الكيميائية إلى طاقة كهربائية.

يعتمد على قطبين: عامل اختزال سالب الشحنة وعامل مؤكسد موجب الشحنة ، وهما على اتصال مع المنحل بالكهرباء. ينشأ فرق جهد بين الأقطاب الكهربائية ، EMF

غالبًا ما تستخدم الأجهزة الحديثة:

• كعامل مختزل - الرصاص والكادميوم والزنك وغيرها ؛
• مؤكسد - هيدروكسيد النيكل وأكسيد الرصاص والمنغنيز وغيرها ؛
• المنحل بالكهرباء - محاليل الأحماض أو القلويات أو الأملاح.

تستخدم خلايا الزنك والمنغنيز الجافة على نطاق واسع. يؤخذ وعاء مصنوع من الزنك (له قطب كهربائي سالب). يتم وضع قطب كهربائي موجب بالداخل مع مزيج من ثاني أكسيد المنغنيز مع الكربون أو مسحوق الجرافيت ، مما يقلل من المقاومة. المنحل بالكهرباء عبارة عن عجينة من الأمونيا والنشا ومكونات أخرى.

غالبًا ما تكون بطارية الرصاص الحمضية مصدر تيار كيميائي ثانوي في دائرة كهربائية ، مع طاقة عالية وتشغيل مستقر وتكلفة منخفضة. تُستخدم البطاريات من هذا النوع في عدة مناطق. غالبًا ما يتم تفضيلها لبطاريات التشغيل ، والتي تعتبر ذات قيمة خاصة في السيارات حيث يحتكرها عمومًا.

بطارية أخرى شائعة تتكون من الحديد (الأنود) وهيدرات أكسيد النيكل (الكاثود) والإلكتروليت - محلول مائي من البوتاسيوم أو الصوديوم. يتم وضع المادة الفعالة في أنابيب فولاذية مطلية بالنيكل.

انخفض استخدام هذه الأنواع بعد حريق مصنع إديسون عام 1914. ومع ذلك ، إذا قارنا خصائص النوعين الأول والثاني من البطاريات ، يتبين أن تشغيل الحديد والنيكل يمكن أن يكون أطول بعدة مرات من حمض الرصاص.

مولدات التيار المستمر والتيار المتردد

المولدات هي أجهزة تهدف إلى تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.

أبسط مولد للتيار المستمر يمكن تمثيله كإطار للموصل ، والذي تم وضعه بين الأقطاب المغناطيسية ، والنهايات متصلة بحلقات نصف معزولة (جامع). لكي يعمل الجهاز ، من الضروري التأكد من دوران الإطار مع المجمع. ثم يتم إحداث تيار كهربائي فيه ، ويغير اتجاهه تحت تأثير خطوط المجال المغناطيسي. في السلسلة الخارجية ، ستذهب في اتجاه واحد. اتضح أن المجمع سوف يصحح التيار المتردد الناتج عن الإطار. لتحقيق تيار ثابت ، يتكون المجمع من ستة وثلاثين لوحة أو أكثر ، ويتكون الموصل من العديد من الإطارات على شكل لفائف المحرك.

لنفكر في الغرض من المصدر الحالي في الدائرة الكهربائية. دعونا نتعرف على المصادر الحالية الأخرى الموجودة.

الدائرة الكهربائية: التيار الكهربائي ، قوة التيار ، المصدر الحالي

تتكون الدائرة الكهربائية من مصدر حالي ، والذي ينشئ ، مع كائنات أخرى ، مسارًا للتيار. وتكشف مفاهيم المجالات الكهرومغناطيسية والتيار والجهد عن العمليات الكهرومغناطيسية التي تحدث في هذه الحالة.

أبسط دائرة كهربائية تتكون من مصدر تيار (بطارية ، خلية كلفانية ، مولد ، وما إلى ذلك) ، مستهلكين للطاقة (سخانات كهربائية ، محركات كهربائية ، إلخ) ، بالإضافة إلى أسلاك تربط أطراف الجهد المصدر والمستهلك

الدائرة الكهربائية بها أجزاء داخلية (مصدر كهرباء) وخارجية (أسلاك ، مفاتيح ومفاتيح ، أدوات للقياس).

ستعمل وستكون لها قيمة موجبة فقط إذا تم توفير دائرة مغلقة. أي انقطاع يتسبب في توقف تدفق التيار.

تتكون الدائرة الكهربائية من مصدر تيار على شكل خلايا جلفانية ، ومراكم كهربائية ، ومولدات كهروميكانيكية وكهربائية حرارية ، وخلايا ضوئية ، وما إلى ذلك.

المحركات الكهربائية تعمل كمستقبلات كهربائية ، والتي تحول الطاقة إلى أجهزة ميكانيكية ، وأجهزة إضاءة وتدفئة ، ومحطات التحليل الكهربائي ، وما إلى ذلك.

المعدات المساعدة هي الأجهزة المستخدمة للتشغيل والإيقاف ، وأدوات القياس وآليات الحماية.

جميع المكونات مقسمة إلى:

• نشط (حيث تتكون الدائرة الكهربائية من مصدر تيار EMF ومحركات كهربائية وبطاريات وما إلى ذلك) ؛
• سلبي (والذي يتضمن المستقبلات الكهربائية وأسلاك التوصيل).

يمكن أن تكون السلسلة أيضًا:

• خطي ، حيث تتميز مقاومة العنصر دائمًا بخط مستقيم ؛
• غير خطية حيث تعتمد المقاومةالجهد أو التيار.

هنا أبسط دائرة ، حيث يتم تضمين مصدر تيار ، مفتاح ، مصباح كهربائي ، مقاومة متغيرة في الدائرة.

على الرغم من انتشار مثل هذه الأجهزة التقنية في كل مكان ، خاصة في الآونة الأخيرة ، يسأل الناس بشكل متزايد أسئلة حول تثبيت مصادر طاقة بديلة.

مجموعة متنوعة من مصادر الطاقة الكهربائية

ما هي مصادر التيار الكهربائي التي لا تزال موجودة؟ إنها ليست الشمس والرياح والأرض والمد والجزر فقط. لقد أصبحوا بالفعل ما يسمى بالمصادر الرسمية البديلة للكهرباء.

يجب أن أقول إن هناك الكثير من المصادر البديلة. إنها ليست شائعة ، لأنها ليست عملية وملائمة بعد. لكن من يدري ، فربما يكون المستقبل خلفهم مباشرة

لذا يمكن الحصول على الطاقة الكهربائية من المياه المالحة. قامت النرويج بالفعل ببناء محطة للطاقة باستخدام هذه التكنولوجيا.

يمكن أن تعمل محطات الطاقة أيضًا على خلايا الوقود مع إلكتروليت الأكسيد الصلب.

من المعروف أن المولدات الكهربائية الانضغاطية تعمل بالطاقة الحركية (توجد بالفعل ممرات المشاة ومطبات السرعة والأبواب الدوارة وحتى أرضيات الرقص مع هذه التقنية).

هناك أيضًا مولدات نانوية تهدف إلى تحويل الطاقة في جسم الإنسان إلى طاقة كهربائية.

وماذا عن الطحالب المستخدمة لتدفئة المنازل ، سيوف كرة القدم التي تولدالطاقة الكهربائية والدراجات التي يمكنها شحن الأدوات وحتى قطع الورق بدقة المستخدمة كمصدر للطاقة؟

آفاق ضخمة ، بالطبع ، تنتمي إلى تطوير الطاقة البركانية.

كل هذا هو واقع اليوم الذي يعمل عليه العلماء. من الممكن أن يصبح بعضها شائعًا تمامًا قريبًا ، مثل الكهرباء في المنازل اليوم.

ربما يكشف شخص ما أسرار العالم نيكولا تيسلا ، وستتمكن البشرية بسهولة من الحصول على الكهرباء من الأثير؟