कंडक्टर में विद्युत धारा विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में उत्पन्न होती है, जिससे मुक्त आवेशित कण निर्देशित गति में आने के लिए बाध्य होते हैं। पार्टिकल करंट बनाना एक गंभीर समस्या है। एक ऐसे उपकरण का निर्माण करना जो एक राज्य में लंबे समय तक क्षेत्र के संभावित अंतर को बनाए रखेगा एक ऐसा कार्य है जिसे मानव जाति केवल 18वीं शताब्दी के अंत तक ही हल कर सकती है।
पहला प्रयास
हालैंड में इसके आगे के शोध और उपयोग के लिए "बिजली जमा" करने का पहला प्रयास किया गया था। जर्मन इवाल्ड जुर्गन वॉन क्लिस्ट और डचमैन पीटर वैन मुशचेनब्रुक, जिन्होंने लीडेन शहर में अपना शोध किया, ने दुनिया का पहला कैपेसिटर बनाया, जिसे बाद में "लेडेन जार" कहा गया।
यांत्रिक घर्षण की क्रिया के तहत विद्युत आवेश का संचय पहले ही हो चुका है। एक निश्चित, बल्कि कम समय के लिए एक कंडक्टर के माध्यम से निर्वहन का उपयोग करना संभव था।
बिजली जैसे क्षणभंगुर पदार्थ पर मानव मन की जीत क्रांतिकारी निकली।
दुर्भाग्य से, डिस्चार्ज (एक संधारित्र द्वारा उत्पन्न विद्युत प्रवाह)इतना कम समय तक चला कि यह प्रत्यक्ष धारा नहीं बना सका। इसके अलावा, संधारित्र द्वारा आपूर्ति की जाने वाली वोल्टेज धीरे-धीरे कम हो जाती है, जिससे निरंतर वर्तमान प्राप्त करना असंभव हो जाता है।
मुझे दूसरा रास्ता तलाशना चाहिए था।
पहला स्रोत
इतालवी गलवानी के "एनिमल इलेक्ट्रिसिटी" प्रयोग प्रकृति में करंट का एक प्राकृतिक स्रोत खोजने का एक मूल प्रयास था। लोहे की जाली के धातु के कांटों पर विच्छेदित मेंढकों के पैरों को लटकाकर उन्होंने तंत्रिका अंत की विशिष्ट प्रतिक्रिया की ओर ध्यान आकर्षित किया।
हालांकि, एक अन्य इतालवी, एलेसेंड्रो वोल्टा ने गलवानी के निष्कर्षों का खंडन किया। जानवरों के जीवों से बिजली प्राप्त करने की संभावना में रुचि रखते हुए, उन्होंने मेंढकों के साथ कई प्रयोग किए। लेकिन उनका निष्कर्ष पिछली परिकल्पनाओं के बिल्कुल विपरीत निकला।
वोल्टा ने इस तथ्य पर ध्यान आकर्षित किया कि एक जीवित जीव केवल विद्युत निर्वहन का संकेतक है। जब करंट गुजरता है, तो पैरों की मांसपेशियां सिकुड़ जाती हैं, जो संभावित अंतर को दर्शाता है। विद्युत क्षेत्र का स्रोत असमान धातुओं का संपर्क था। वे रासायनिक तत्वों की एक श्रृंखला में जितने दूर होते हैं, प्रभाव उतना ही अधिक होता है।
इलेक्ट्रोलाइट घोल में भिगोए गए पेपर डिस्क के साथ रखी गई असमान धातुओं की प्लेटों ने लंबे समय तक आवश्यक संभावित अंतर पैदा किया। और इसे कम (1.1 V) होने दें, लेकिन विद्युत प्रवाह की जांच लंबे समय तक की जा सकती है। मुख्य बात यह है कि वोल्टेज लंबे समय तक अपरिवर्तित रहा।
क्या चल रहा है
"गैल्वेनिक सेल" नामक स्रोत ऐसा प्रभाव क्यों पैदा करते हैं?
डाइलेक्ट्रिक में रखे दो धातु इलेक्ट्रोड अलग-अलग भूमिका निभाते हैं। एक इलेक्ट्रॉनों की आपूर्ति करता है, दूसरा उन्हें स्वीकार करता है। रेडॉक्स प्रतिक्रिया प्रक्रिया एक इलेक्ट्रोड पर इलेक्ट्रॉनों की अधिकता की उपस्थिति की ओर ले जाती है, जिसे नकारात्मक ध्रुव कहा जाता है, और दूसरे पर एक कमी, हम इसे स्रोत के सकारात्मक ध्रुव के रूप में निरूपित करेंगे।
सबसे सरल गैल्वेनिक कोशिकाओं में, एक इलेक्ट्रोड पर ऑक्सीडेटिव प्रतिक्रियाएं होती हैं, और दूसरे पर कमी प्रतिक्रियाएं होती हैं। इलेक्ट्रॉन सर्किट के बाहर से इलेक्ट्रोड में आते हैं। इलेक्ट्रोलाइट स्रोत के अंदर आयनों का वर्तमान संवाहक है। प्रतिरोध की ताकत प्रक्रिया की अवधि को नियंत्रित करती है।
तांबा-जस्ता तत्व
गैल्वेनिक कोशिकाओं के संचालन के सिद्धांत को कॉपर-जिंक गैल्वेनिक सेल के उदाहरण का उपयोग करने पर विचार करना दिलचस्प है, जिसकी क्रिया जिंक और कॉपर सल्फेट की ऊर्जा के कारण होती है। इस स्रोत में, एक कॉपर प्लेट को कॉपर सल्फेट के घोल में रखा जाता है, और एक जिंक इलेक्ट्रोड को जिंक सल्फेट के घोल में डुबोया जाता है। मिश्रण को रोकने के लिए समाधान एक झरझरा स्पेसर द्वारा अलग किया जाता है, लेकिन संपर्क में होना चाहिए।
यदि परिपथ बंद कर दिया जाता है, तो जस्ता की सतह परत ऑक्सीकृत हो जाती है। तरल के साथ बातचीत की प्रक्रिया में, जिंक परमाणु, आयनों में बदल कर, घोल में दिखाई देते हैं। इलेक्ट्रोड पर इलेक्ट्रान निकलते हैं, जो करंट उत्पन्न करने में भाग ले सकते हैं।
कॉपर इलेक्ट्रोड में जाने पर, इलेक्ट्रॉन अपचयन अभिक्रिया में भाग लेते हैं। सेसमाधान, तांबे के आयन सतह की परत में प्रवेश करते हैं, कमी की प्रक्रिया में वे तांबे के परमाणुओं में बदल जाते हैं, तांबे की प्लेट पर जमा हो जाते हैं।
जो हो रहा है उसे संक्षेप में बताने के लिए: गैल्वेनिक सेल के संचालन की प्रक्रिया के साथ सर्किट के बाहरी हिस्से में कम करने वाले एजेंट से ऑक्सीकरण एजेंट तक इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण होता है। अभिक्रिया दोनों इलेक्ट्रोडों पर होती है। स्रोत के अंदर एक आयन धारा प्रवाहित होती है।
उपयोग में कठिनाई
सैद्धांतिक रूप से, बैटरी में किसी भी संभावित रेडॉक्स प्रतिक्रिया का उपयोग किया जा सकता है। लेकिन तकनीकी रूप से मूल्यवान तत्वों में काम करने में सक्षम इतने पदार्थ नहीं हैं। इसके अलावा, कई प्रतिक्रियाओं के लिए महंगे पदार्थों की आवश्यकता होती है।
आधुनिक बैटरियों की संरचना सरल होती है। एक इलेक्ट्रोलाइट में रखे दो इलेक्ट्रोड बर्तन को भरते हैं - बैटरी केस। इस तरह की डिज़ाइन सुविधाएँ संरचना को सरल बनाती हैं और बैटरी की लागत को कम करती हैं।
कोई भी गैल्वेनिक सेल डायरेक्ट करंट पैदा करने में सक्षम है।
धारा का प्रतिरोध एक ही समय में सभी आयनों को इलेक्ट्रोड पर नहीं होने देता है, इसलिए तत्व लंबे समय तक काम करता है। आयन निर्माण की रासायनिक अभिक्रिया देर-सबेर रुक जाती है, तत्व का विसर्जन हो जाता है।
वर्तमान स्रोत का आंतरिक प्रतिरोध महत्वपूर्ण है।
प्रतिरोध के बारे में थोड़ा
विद्युत प्रवाह के उपयोग ने निस्संदेह वैज्ञानिक और तकनीकी प्रगति को एक नए स्तर पर ला दिया, उसे एक विशाल बढ़ावा दिया। लेकिन धारा के प्रवाह के प्रतिरोध का बल इस तरह के विकास के रास्ते में आ जाता है।
एक ओर जहां विद्युत धारा में रोजमर्रा की जिंदगी और प्रौद्योगिकी में उपयोग किए जाने वाले अमूल्य गुण हैं, वहीं दूसरी ओर इसका काफी विरोध भी हो रहा है। भौतिक विज्ञान, प्रकृति के विज्ञान के रूप में, इन परिस्थितियों को एक पंक्ति में लाने के लिए एक संतुलन बनाने की कोशिश करता है।
विद्युत रूप से आवेशित कणों के उस पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया के कारण वर्तमान प्रतिरोध उत्पन्न होता है जिसके माध्यम से वे चलते हैं। सामान्य तापमान की स्थिति में इस प्रक्रिया को बाहर करना असंभव है।
प्रतिरोध
वर्तमान स्रोत का आंतरिक प्रतिरोध और सर्किट के बाहरी भाग का प्रतिरोध थोड़ा अलग प्रकृति का है, लेकिन इन प्रक्रियाओं में चार्ज को स्थानांतरित करने के लिए किया गया कार्य समान है।
कार्य केवल स्रोत और उसकी सामग्री के गुणों पर निर्भर करता है: इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के गुण, साथ ही सर्किट के बाहरी हिस्सों के लिए, जिसका प्रतिरोध ज्यामितीय मापदंडों और रासायनिक पर निर्भर करता है सामग्री की विशेषताएं। उदाहरण के लिए, धातु के तार का प्रतिरोध लंबाई में वृद्धि के साथ बढ़ता है और क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र के विस्तार के साथ घटता है। प्रतिरोध को कम करने की समस्या को हल करते समय, भौतिकी विशेष सामग्री का उपयोग करने की सलाह देती है।
वर्तमान कार्य
जूल-लेन्ज़ कानून के अनुसार, कंडक्टरों में जारी गर्मी की मात्रा प्रतिरोध के समानुपाती होती है। यदि हम ऊष्मा की मात्रा को Qint., धारा I की शक्ति, इसके प्रवाह का समय t के रूप में नामित करते हैं, तो हम प्राप्त करते हैं:
Qint=मैं2 · r t,
जहाँ r स्रोत का आंतरिक प्रतिरोध हैवर्तमान।
पूरे सर्किट में, इसके आंतरिक और बाहरी दोनों हिस्सों को मिलाकर, गर्मी की कुल मात्रा निकल जाएगी, जिसका सूत्र है:
Qपूर्ण=मैं2 · r t + I 2 आर टी=मैं2 (आर +आर) टी,
यह ज्ञात है कि भौतिकी में प्रतिरोध को कैसे निरूपित किया जाता है: एक बाहरी सर्किट (स्रोत को छोड़कर सभी तत्वों) में प्रतिरोध R होता है।
पूरे सर्किट के लिए ओम का नियम
ध्यान रहे कि मुख्य कार्य वर्तमान स्रोत के अंदर बाहरी शक्तियों द्वारा किया जाता है। इसका मान क्षेत्र द्वारा किए गए आवेश और स्रोत के इलेक्ट्रोमोटिव बल के गुणनफल के बराबर है:
क्यू ई=मैं2 (आर + आर) टी.
यह महसूस करते हुए कि चार्ज वर्तमान ताकत और उसके प्रवाह के समय के गुणनफल के बराबर है, हमारे पास है:
ई=मैं (आर + आर)।
कारण और प्रभाव संबंधों के अनुसार, ओम के नियम का रूप है:
मैं=ई: (आर + आर)।
बंद परिपथ में धारा धारा स्रोत के EMF के सीधे समानुपाती होती है और परिपथ के कुल (कुल) प्रतिरोध के व्युत्क्रमानुपाती होती है।
इस पैटर्न के आधार पर, वर्तमान स्रोत के आंतरिक प्रतिरोध को निर्धारित करना संभव है।
स्रोत निर्वहन क्षमता
निर्वहन क्षमता को भी स्रोतों की मुख्य विशेषताओं के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। कुछ शर्तों के तहत संचालन करते समय प्राप्त की जा सकने वाली बिजली की अधिकतम मात्रा डिस्चार्ज करंट की ताकत पर निर्भर करती है।
आदर्श स्थिति में, जब कुछ अनुमान लगाए जाते हैं, तो निर्वहन क्षमता को स्थिर माना जा सकता है।
केउदाहरण के लिए, 1.5 वी के संभावित अंतर वाली एक मानक बैटरी में 0.5 आह की निर्वहन क्षमता होती है। अगर डिस्चार्ज करंट 100mA है, तो यह 5 घंटे काम करता है।
बैटरी चार्ज करने के तरीके
बैटरियों के दोहन से उनका डिस्चार्ज हो जाता है। बैटरियों की बहाली, छोटी कोशिकाओं की चार्जिंग एक करंट का उपयोग करके की जाती है जिसका शक्ति मूल्य स्रोत क्षमता के दसवें हिस्से से अधिक नहीं होता है।
निम्नलिखित चार्जिंग विधियां उपलब्ध हैं:
- एक निर्दिष्ट समय के लिए निरंतर वर्तमान का उपयोग करना (लगभग 16 घंटे वर्तमान 0.1 बैटरी क्षमता);
- एक पूर्व निर्धारित संभावित अंतर मान के लिए एक स्टेप-डाउन करंट के साथ चार्ज करना;
- असंतुलित धाराओं का उपयोग;
- चार्जिंग और डिस्चार्जिंग की छोटी दालों का क्रमिक अनुप्रयोग, जिसमें पहले का समय दूसरे के समय से अधिक हो जाता है।
व्यावहारिक कार्य
कार्य प्रस्तावित है: वर्तमान स्रोत और ईएमएफ के आंतरिक प्रतिरोध को निर्धारित करने के लिए।
इसे करने के लिए, आपको एक वर्तमान स्रोत, एक एमीटर, एक वोल्टमीटर, एक स्लाइडर रिओस्टेट, एक कुंजी, कंडक्टरों के एक सेट पर स्टॉक करना होगा।
बंद सर्किट के लिए ओम के नियम का उपयोग करना वर्तमान स्रोत के आंतरिक प्रतिरोध को निर्धारित करेगा। ऐसा करने के लिए, आपको इसका ईएमएफ, रिओस्तात के प्रतिरोध का मूल्य जानने की जरूरत है।
सर्किट के बाहरी भाग में वर्तमान प्रतिरोध के लिए गणना सूत्र सर्किट अनुभाग के लिए ओम के नियम से निर्धारित किया जा सकता है:
मैं=यू: आर,
जहां मैं सर्किट के बाहरी हिस्से में वर्तमान ताकत है, जिसे एमीटर से मापा जाता है; यू - बाहरी पर वोल्टेजप्रतिरोध।
सटीकता में सुधार के लिए, माप कम से कम 5 बार लिया जाता है। यह किस लिए है? प्रयोग के दौरान मापे गए वोल्टेज, प्रतिरोध, करंट (या बल्कि, करंट स्ट्रेंथ) का उपयोग नीचे किया जाता है।
वर्तमान स्रोत के EMF को निर्धारित करने के लिए, हम इस तथ्य का उपयोग करते हैं कि इसके टर्मिनलों पर कुंजी के साथ वोल्टेज लगभग EMF के बराबर है।
आइए एक बैटरी, एक रिओस्टेट, एक एमीटर, श्रृंखला में जुड़ी एक कुंजी से एक सर्किट को इकट्ठा करें। हम एक वाल्टमीटर को वर्तमान स्रोत के टर्मिनलों से जोड़ते हैं। चाबी खोलने के बाद, हम उसकी रीडिंग लेते हैं।
आंतरिक प्रतिरोध, जिसका सूत्र एक पूर्ण परिपथ के लिए ओम के नियम से प्राप्त होता है, गणितीय गणनाओं द्वारा निर्धारित किया जाता है:
- मैं=ई: (आर + आर)।
- r=E: I – U: I.
माप से पता चलता है कि आंतरिक प्रतिरोध बाहरी प्रतिरोध से बहुत कम है।
रिचार्जेबल बैटरियों और बैटरियों का व्यावहारिक कार्य व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। इलेक्ट्रिक मोटर्स की निर्विवाद पर्यावरणीय सुरक्षा संदेह से परे है, लेकिन एक विशाल, एर्गोनोमिक बैटरी बनाना आधुनिक भौतिकी की समस्या है। इसके समाधान से ऑटोमोटिव प्रौद्योगिकी के विकास में एक नया दौर शुरू होगा।
मोबाइल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में छोटी, हल्की, उच्च क्षमता वाली बैटरी भी आवश्यक हैं। उनमें उपयोग की जाने वाली ऊर्जा की मात्रा सीधे उपकरणों के प्रदर्शन से संबंधित होती है।
