Для создания напряжения потребуется удаление со своих орбит электронов. С этой целью необходима дополнительная энергия. Из пустоты энергия возникнуть не может, она способна только переходить из одной формы в другую.
Источниками напряжения в физике выступают устройства, главной задачей которых считается преобразование одного из видов энергии в электрическую.
Различают 5 разновидностей источников напряжения:
- построенные на явлении электризованного трения;
- основанные на таком явлении, как магнетизм;
- химические;
- преобразующие один вид энергии в другую: световую и тепловую в электрическую;
- пьезоэлектрические.
Понятие об электрическом напряжении
Электрическое напряжение представляет физическую величину, зависимую от работы эффективного электрического поля. Перенос пробного заряда при этом не изменяет распределение других зарядов на источниках поля.
В общем случае, напряжение создается двумя видами работ:
- электрических сил: $A_AB^el$;
- сторонних сил: $A_AB^ex$.
Если на участке цепи не наблюдается действие сторонних сил, т.е. $A_AB^ex$=0, тогда работа по перемещению будет включать только работу потенциального электрополя: $A_AB^el$. При этом электрическое напряжение $U_AB$ будет совпадающим с разностью потенциалов этих двух точек.
Размерность электрического напряжения в системе единиц СИ выражается в вольтах. Понятие напряжения ввел в своей работе в 1827 году Георг Ом, где он предложил гидродинамическую модель электрического тока, с целью объяснить эмпирический закон, открытый им ранее:
$U=IR$
Источники напряжения, основанные на явлениях электризации и магнетизма
Источники напряжения могут быть построены на явлении электризации трением (генератор Ван де Граафа).
Наиболее древним способом создания электричества считается трение. Если взять стеклянную палочку и потереть ее шелком или мехом, она будет заряжена электричеством. По этому принципу функционирует генератор Ван де Граафа, способный вырабатывать напряжение в миллионы вольт. Единственное применение такого устройства наблюдается в научных исследованиях.
Основным методом получения электроэнергии выступает метод магнетизма. Его суть заключается в появлении напряжения при перемещении проводника в магнитном поле. На этом принципе работает такое устройство, как генератор.
Существуют генераторы переменного и постоянного напряжений. При постоянном движении потока электронов в одном направлении, создаваемый указанным потоком ток будет называться постоянным.
В ситуации, когда поток электронов будет периодически изменять свое направление на противоположное, ток считается переменным. Приводить в движение генератор напряжения могут различные виды двигателей, ветер, вода и нагретый пар.
Химические и пьезоэлектрические источники напряжения
Еще одним способом получения электроэнергии выступают химические батареи. В составе батареи находятся два электрода, созданные из разнородных металлов (меди и цинка, например) и погруженные в электролит. Они могут создавать контакт между электролитом и цепью. С помощью электролита из медного электрода извлекают свободные электроны, а цинковый электрод их при этом притягивает.
Медный электрод, таким образом, имеет положительный заряд, а цинковый - отрицательный. Объединяясь, такие элементы образуют батарею.
У некоторых кристаллических материалов есть пьезоэлектрический эффект. К таким относятся: турмалин, кварц, титанат бария, сегнетова соль. Эффект сводится к тому, что при давлении на указанные материалы будет возникать незначительная разность потенциалов (напряжение).
Если давление отсутствует, отрицательные и положительные заряды распределяются в кристалле хаотичным образом. При наличии давления, электроны будут распределены только на одной стороне материала, тем самым создавая область отрицательных и положительных зарядов.
Напряжение снимается специальными электродами и появляется только при приложенном давлении. Такое явление называется пьезоэффектом. Прямой пьезоэлектрический эффект можно наблюдать в зажигалках, датчиках и кристаллических микрофонах.
Источники напряжения для преобразования световой и тепловой энергии
В электрическую можно преобразовать и световую энергию. Это возможно благодаря попаданию света на пленку с фоточувствительным эффектом в солнечном элементе. Такая пленка изготовлена из полупроводников. Освещенная светом фоточувствительная пленка выбивает электроны со своих орбит.
Тем самым формируется область свободных электронов, отрицательно заряженных, а также область положительно заряженных отверстий на соответствующих электродах. Таким образом, отдельный солнечный элемент может вырабатывать небольшое напряжение.
Для создания требуемого напряжения солнечные элементы соединяют в солнечные батареи. Они широко применяются в настоящее время. Преобразование тепловой энергии в электрическую становится возможным с помощью термопары. В основу принципа ее действия положен термоэлектрический эффект.
Термопару составляют два спаянных вместе разнородных металла. При нагревании в одном из них (например, в меди), возникнет в силу его свойств большое количество свободных электронов. Их он легко отдает другому металлу (это может быть, например, железо).
Медь, вследствие этого, приобретет положительный заряд из-за отдачи электронов, а железо, в свою очередь, - отрицательный. На концах этой термопары возникает небольшое напряжение, прямо пропорциональное количеству тепла, которое было получено. Термопары, в основном, применяют в измерительной технике.
