Nguồn dòng điện đầu tiên

25

Nguồn dòng điện đầu tiên

<Ftgφcosα. Cơ thể sẽ tích lũy. Tuy nhiên, ngay khi góc α lớn hơn góc ma sát φ thì bất đẳng thức cuối cùng bị vi phạm. Lúc này ma sát không còn giữ được vật ở đúng vị trí nữa và nó bắt đầu trượt.

Chúng ta hãy quay trở lại vật còn lại ở đầu trạng thái trên mặt phẳng nghiêng và dựng hình nón ma sát cho nó (hình 2). Ngoại lực ở đây là lực của dây đeo tạ $m\vec{g}$, hướng thẳng đứng xuống dưới. Chỉ cần α<φ, theo những gì đã nói ở trên, cơ thể sẽ đào bới xung quanh. Nhưng ngay khi góc α vượt quá góc φ thì nó sẽ bắt đầu chuyển động. Do đó, ta thu được ngay điều kiện để vật bắt đầu trượt khỏi mặt phẳng nghiêng:

$$tg\alpha > \mu, \alpha > arctg\mu.$$

Lưu ý rằng khái niệm hình nón ma sát được các kỹ sư sử dụng khi tính toán một kết cấu cụ thể. Ví dụ, ngay cả khi thiết kế một chiếc ghế đẩu, bạn cũng nên lưu ý đến hình nón ma sát.

Hãy tưởng tượng một chiếc ghế đẩu có chân được nối với ghế bằng khớp (hình 3). Tất nhiên, trên thực tế không ai làm điều này, nhưng hệ thống lắp đặt này cho phép chúng ta hiểu dễ dàng hơn vai trò của hình nón ma sát. Chúng ta hãy đặt một chiếc ghế đẩu như vậy trên sàn sao cho góc α vuông góc với sàn nhỏ hơn góc ma sát φ. Trong trường hợp này, cho dù chúng ta chất cái ghế lên như thế nào, hai chân của nó sẽ không tách ra - lực mà mỗi chân tác dụng lên sàn nằm trong hình nón ma sát tương ứng. Nếu góc α lớn hơn góc φ thì lực do mỗi tác dụng lên sàn sẽ vượt ra ngoài hình nón ma sát, hai chân sẽ rời ra và chiếc ghế sẽ rơi xuống.

Trong một chiếc ghế đẩu thực sự, các chân được kết nối với ghế không phải nhờ sự trợ giúp của khớp mà được bao gồm hoặc bao gồm trong đó.

Dòng điện, ngay cả trong mạch điện đơn giản nhất, có vẻ giống như một hiện tượng bí ẩn. Trên thực tế, dòng điện là sự chuyển động có trật tự của các điện tích, chẳng hạn như các electron trong dây dẫn kim loại. Chuyển động có trật tự của chúng sẽ được gây ra bởi một điện trường. Tuy nhiên, như đã biết, công của trường tĩnh điện dọc theo một đường dẫn kín là bằng 0 (và các mạch điện trong đó có dòng điện không đổi luôn đóng). Tuy nhiên, công được thực hiện trong mạch khi có dòng điện chạy qua. Ví dụ, do công việc này, các dây dẫn nóng lên.

Tại sao có dòng điện trong mạch và tại sao công thực hiện khi nó đi qua?

Cả hai đều có thể thực hiện được chỉ vì ở đâu đó trong mạch có một số lực không tĩnh điện có thể tạo ra và duy trì trường tĩnh điện trong mạch và công của chúng không bằng 0. Những lực lượng này được gọi là “lực lượng bên ngoài”. Vị trí trong mạch nơi chúng hoạt động được gọi (không hoàn toàn thành công) là “nguồn hiện tại”.

Những lực lượng phụ này là gì và chúng hoạt động như thế nào? Ví dụ, hãy xem xét nguồn dòng điện một chiều hóa học đầu tiên trong lịch sử. Nó được phát minh vào cuối thế kỷ 18 bởi nhà vật lý người Ý Alexandro Volga (1745-1827). Bây giờ nguồn này được gọi là phần tử Volga. Nó bao gồm các điện cực kẽm và đồng được ngâm trong dung dịch axit sulfuric.

Lưu ý rằng đồng và kẽm không bao gồm các nguyên tử trung tính mà bao gồm các ion dương của kim loại tương ứng và các electron đã được tách ra khỏi nguyên tử và trở nên tự do, như người ta nói. Cần lưu ý rằng dung dịch axit không bao gồm

26

các phân tử trung hòa của nước (H₂O) và axit sulfuric (H₂SO₄). Một phần đáng kể của các phân tử H₂SO₄ trong nước biến thành ba ion - hai ion hydro H⁺ tích điện dương và một ion SO₄2⁻ tích điện âm với điện tích kép:

H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄²⁻.

Hãy xem điều gì xảy ra khi nhúng các điện cực vào dung dịch như vậy (xem hình). Hãy bắt đầu với kẽm.

Khi ngâm kẽm trong dung dịch axit, phản ứng hóa học giữa các ion SO₄2⁻ và Zn2⁺ bắt đầu, kết quả là các ion kẽm bị tách ra khỏi điện cực và chuyển vào dung dịch. Trong trường hợp này, có quá nhiều electron xuất hiện trên điện cực và nó trở nên tích điện âm. Khi các ion Zn2⁺ tích tụ trong dung dịch, một số ion trong số chúng bị điện cực ép xuống sẽ quay trở lại. Cuối cùng, trạng thái cân bằng lưỡng tính được thiết lập: số lượng ion rời khỏi kẽm bằng số lượng ion quay trở lại nó. Nhưng điện cực vẫn tích điện âm và dung dịch gần điện cực (do các ion kẽm) nhận được điện tích dương.

Sự xuất hiện của các ion dương bổ sung gần điện cực kẽm gây ra sự phân phối lại các ion đã có trong dung dịch. Thông thường các ion âm từ lớp lân cận sẽ di chuyển đến gần điện cực và một số ion dương được đưa đến lớp ở xa hơn. Các chuyển động tương tự xảy ra ở tất cả các lớp dung dịch, ngay đến lớp tiếp giáp với điện cực đồng. Ở đây quá trình sau đây xảy ra.

Không giống như kẽm, đồng hầu như không hòa tan trong axit, nghĩa là nó không gửi các ion của nó vào dung dịch. Ngược lại, ion hydro dương từ dung dịch rơi xuống đồng

điện cực, các điện cực tự do được lấy ra khỏi nó và trung hòa. Đồng trở nên tích điện dương và dung dịch xung quanh nó mang điện tích âm.

Do đó, điện cực đồng trong phần tử Volta tạo thành sọc dương và điện cực kẽm tạo thành sọc âm. Hiệu điện thế giữa chúng xấp xỉ 1,1 V.

Bây giờ chúng ta hãy xem điều gì sẽ xảy ra nếu các điện cực được nối với một dây dẫn kim loại. Các điện cực tự do ở phần bên ngoài của mạch điện (trong dây dẫn) bắt đầu di chuyển từ kẽm, nơi chúng có nhiều, sang đồng, nơi chúng bị thiếu. Điều này có nghĩa là một dòng điện sẽ xuất hiện ở phần bên ngoài của mạch điện, hướng từ đồng sang kẽm.

Nhưng bản thân nguyên tố Volta có gì? Do mất electron từ kẽm, sự cân bằng giữa điện cực kẽm và raster bị xáo trộn, do đó, một số lượng ion kẽm bổ sung sẽ đi vào raster, do đó duy trì điện tích âm của điện cực. Và do đến điện cực đồng, một số lượng lớn hơn các ion hydro dương từ dung dịch có thể được trung hòa ở điện cực này. Đồng thời, đồng cũng duy trì điện tích dương.

Do đó, chúng ta thấy rằng trong khi ở phần bên ngoài của các điện cực tự do trong mạch chuyển động từ điện cực kẽm sang điện cực đồng thì bên trong nguồn của mạch chuyển động: dương từ kẽm sang đồng và âm từ đồng sang kẽm. Vì vậy, trong một mạch kín có một quá trình chuyển động tròn liên tục của các điện tích, tức là dòng điện.

Những lực nào tác dụng để duy trì một vị trí điện thế không đổi giữa các điện cực đồng và kẽm? Đây được gọi là lực hóa học hoạt động bên trong nguyên tố Volta. Nói cách khác, có thể nói nguồn năng lượng của dòng điện là năng lượng được giải phóng trong các phản ứng hóa học giữa các điện cực và dung dịch axit.

Từ đó, hóa ra “nguồn dòng điện” thực chất là một nguồn năng lượng, do đó