Страница 128 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

8. Каково устройство аккумулятора?

Каково устройство аккумулятора?

Аккумулятор — это химический источник электрического тока многоразового действия, основной функцией которого является накопление (аккумулирование) энергии и последующая её отдача. Его работа основана на обратимых химических процессах. Энергия запасается при пропускании электрического тока через аккумулятор (зарядка) и отдается потребителю при подключении к нему нагрузки (разрядка). Несмотря на многообразие типов аккумуляторов (свинцово-кислотные, литий-ионные, никель-металлгидридные и др.), их базовое устройство включает в себя одни и те же ключевые компоненты.

Основными частями любого аккумулятора являются:

1. Электроды — два проводника, погруженные в электролит. На них происходят химические реакции. Различают положительный и отрицательный электроды.
• Положительный электрод (катод): при разряде на нем происходит реакция восстановления (присоединение электронов). В классическом свинцово-кислотном аккумуляторе катод изготавливается из диоксида свинца ($PbO_2$).
• Отрицательный электрод (анод): при разряде на нем происходит реакция окисления (отдача электронов). В свинцово-кислотном аккумуляторе анод состоит из губчатого свинца ($Pb$).

2. Электролит — вещество, проводящее ионы, но не проводящее электроны. Он обеспечивает ионный обмен между электродами внутри аккумулятора, замыкая электрическую цепь. В свинцово-кислотных аккумуляторах в качестве электролита используется водный раствор серной кислоты ($H_2SO_4$). В литий-ионных аккумуляторах — органический раствор, содержащий соли лития.

3. Сепаратор — пористая перегородка, которая разделяет положительный и отрицательный электроды. Основная задача сепаратора — предотвратить их короткое замыкание при контакте, но при этом он должен свободно пропускать ионы электролита. Сепараторы обычно изготавливают из материалов, устойчивых к химическому воздействию электролита (например, из микропористого пластика).

4. Корпус — герметичная емкость, в которой размещаются все компоненты аккумулятора. Корпус защищает внутренние элементы от механических повреждений и воздействия окружающей среды, а также предотвращает утечку электролита. Материал корпуса должен быть диэлектриком и химически стойким (например, полипропилен).

Принцип работы аккумулятора заключается в преобразовании химической энергии в электрическую при разряде и обратно — электрической в химическую при заряде. Например, для свинцово-кислотного аккумулятора суммарная реакция при разряде выглядит так:

$Pb + PbO_2 + 2H_2SO_4 \rightarrow 2PbSO_4 + 2H_2O$

В процессе разряда на обоих электродах образуется сульфат свинца ($PbSO_4$), а концентрация серной кислоты в электролите падает. При зарядке происходит обратный процесс:

$2PbSO_4 + 2H_2O \rightarrow Pb + PbO_2 + 2H_2SO_4$

Материалы электродов восстанавливаются до исходного состояния, а плотность электролита увеличивается.

Ответ: Аккумулятор состоит из корпуса, в котором находятся два разнородных электрода (положительный — катод, и отрицательный — анод), разделенных пористым сепаратором и погруженных в электролит. Работа аккумулятора основана на обратимых химических реакциях на электродах, что позволяет многократно запасать (заряжать) и отдавать (разряжать) электрическую энергию.

9. Где применяют аккумуляторы?

8. Каково устройство аккумулятора?

Решение:

Аккумулятор — это химический источник тока многоразового действия, основной принцип работы которого заключается в обратимости химических реакций. Он преобразует химическую энергию в электрическую при разряде и, наоборот, накапливает электрическую энергию, преобразуя её в химическую, при заряде от внешнего источника.

Основными конструктивными элементами аккумулятора являются:

• Электроды: два электрода из разных материалов — положительный (катод при разряде) и отрицательный (анод при разряде). Материалы электродов определяют тип аккумулятора. Например, в классическом свинцово-кислотном аккумуляторе это диоксид свинца ($PbO_2$) и губчатый свинец ($Pb$).
• Электролит: вещество, проводящее ионы, но не электроны. Он обеспечивает ионный обмен между электродами. В зависимости от типа аккумулятора электролитом может быть раствор кислоты (например, серной кислоты $H_2SO_4$), щёлочи или органический растворитель с растворёнными солями (в литий-ионных аккумуляторах).
• Сепаратор: пористая диэлектрическая перегородка, которая физически разделяет положительный и отрицательный электроды, чтобы предотвратить короткое замыкание, но при этом позволяет ионам электролита свободно перемещаться между ними.
• Корпус: герметичная ёмкость (обычно из пластика или металла), в которой находятся все внутренние компоненты. Корпус защищает аккумулятор от внешних воздействий и предотвращает утечку электролита.
• Выводы (клеммы): токосъёмники, подключённые к электродам и выведенные наружу для подключения к внешней электрической цепи.

Ответ: Аккумулятор состоит из двух электродов (положительного и отрицательного), помещённых в электролит, сепаратора, разделяющего электроды для предотвращения короткого замыкания, и корпуса, в котором находятся все компоненты.

9. Где применяют аккумуляторы?

Решение:

Аккумуляторы, как автономные и перезаряжаемые источники энергии, нашли широчайшее применение во многих сферах человеческой деятельности. Основные области их использования:

• Транспорт: стартерные аккумуляторы для запуска двигателей автомобилей, мотоциклов и другой техники; тяговые аккумуляторы для питания электромобилей, гибридных автомобилей, электровелосипедов, электроскутеров, вилочных погрузчиков.
• Портативная электроника: питание практически всех мобильных устройств — смартфонов, ноутбуков, планшетов, умных часов, беспроводных наушников, цифровых фотоаппаратов, портативных игровых консолей.
• Резервное и бесперебойное питание: источники бесперебойного питания (ИБП) для компьютеров, серверов, центров обработки данных, медицинского оборудования, которые защищают от сбоев в электросети. Также они обеспечивают резервное питание для систем связи, аварийного освещения, охранных систем.
• Энергетика: системы накопления энергии (СНЭ) для хранения электроэнергии, выработанной солнечными панелями и ветряными турбинами, и для сглаживания пиков потребления в общих электросетях.
• Бытовая техника и инструменты: питание беспроводных (аккумуляторных) устройств, таких как пылесосы, шуруповёрты, дрели, газонокосилки, триммеры.
• Специализированная техника: медицинские приборы (дефибрилляторы, инфузионные насосы), космические аппараты (спутники, МКС), военное оборудование.

Ответ: Аккумуляторы применяют в транспорте (автомобили, электромобили), портативной электронике (смартфоны, ноутбуки), в качестве источников бесперебойного питания, в системах хранения энергии от возобновляемых источников, в бытовых беспроводных приборах и инструментах, а также в специализированной технике.

1. Касаясь рукой стержня электроскопа, его разрядили. Можно ли говорить о наличии электрического тока в стержне электроскопа при его разрядке?

1. Решение

Электрический ток по определению — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Для того чтобы возник электрический ток, необходимо наличие свободных носителей заряда (в металлическом стержне электроскопа это электроны) и наличие разности потенциалов, которая заставит эти заряды двигаться.

Когда электроскоп заряжен, его стержень и лепестки обладают электрическим зарядом, а следовательно, и электрическим потенциалом, отличным от потенциала земли (потенциал земли условно принимается за нулевой). Тело человека является проводником электричества.

При касании рукой стержня электроскопа создается замкнутая электрическая цепь: электроскоп – рука – тело человека – земля. Из-за разности потенциалов между электроскопом и землей по этой цепи начинают двигаться заряженные частицы:

• Если электроскоп был заряжен отрицательно (имел избыток электронов), то электроны со стержня начнут двигаться через руку в землю до тех пор, пока потенциалы не выровняются. Это направленное движение электронов и есть электрический ток.
• Если электроскоп был заряжен положительно (имел недостаток электронов), то электроны из земли начнут двигаться через тело человека и руку на стержень электроскопа, чтобы скомпенсировать недостаток и нейтрализовать положительный заряд. Это движение электронов также является электрическим током.

Таким образом, процесс разрядки электроскопа — это не что иное, как кратковременный электрический ток, протекающий через его стержень.

Ответ: Да, можно. Разрядка электроскопа при касании рукой представляет собой процесс направленного движения заряженных частиц (электронов) через стержень, что по определению является электрическим током. Этот ток является кратковременным и прекращается, когда электроскоп полностью разрядится.

2. Капля дождя в процессе падения на землю электризуется. Можно ли говорить о наличии электрического тока между облаком и землёй?

Решение

Электрический ток по определению — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Сила тока $I$ определяется как отношение заряда $\Delta q$, прошедшего через некоторую поверхность, ко времени $\Delta t$, в течение которого этот заряд перемещался:

$I = \frac{\Delta q}{\Delta t}$

В задаче описана ситуация, где капли дождя в процессе падения электризуются, то есть приобретают электрический заряд. Эти капли движутся направленно — от облака к земле. Следовательно, мы имеем дело с упорядоченным движением заряженных частиц (капель дождя).

Поток заряженных капель, падающих на землю, полностью соответствует определению электрического тока. Этот вид тока, при котором заряд переносится вместе с макроскопическим телом (в данном случае, с каплями воды), называется конвекционным током. Таким образом, во время дождя действительно существует электрический ток между облаком и землёй, обусловленный движением заряженных капель.

Ответ: да, можно говорить о наличии электрического тока между облаком и землёй, поскольку падение электрически заряженных капель дождя представляет собой направленное движение носителей заряда, что по определению является электрическим током.

1. В чём преимущество аккумулятора перед гальваническим элементом?

1. Основное и ключевое преимущество аккумулятора перед гальваническим элементом заключается в его многоразовости, то есть в способности к многократной перезарядке.

Гальванический элемент (часто называемый просто «батарейкой») — это первичный химический источник тока, в котором электрическая энергия вырабатывается за счёт необратимых химических реакций. Как только реагенты внутри элемента расходуются, он перестаёт работать и его необходимо утилизировать.

Аккумулятор — это вторичный химический источник тока. Химические реакции, протекающие в нём при разряде (отдаче энергии), являются обратимыми. Это означает, что после использования аккумулятор можно зарядить, пропустив через него электрический ток от внешнего источника в направлении, обратном направлению тока при разряде. Этот процесс восстанавливает активные вещества на электродах, и аккумулятор снова становится готов к работе.

Это фундаментальное свойство обратимости даёт аккумуляторам следующие преимущества:

1. Экономическая выгода. Хотя начальная цена аккумулятора и зарядного устройства выше, чем у одноразового гальванического элемента, его многократное использование (сотни, а иногда и тысячи циклов заряда-разряда) делает его более выгодным в долгосрочной перспективе для устройств с регулярным и высоким энергопотреблением (фотоаппараты, игрушки, беспроводные инструменты и т.д.).

2. Экологичность. Использование аккумуляторов значительно сокращает количество опасных отходов. Отработанные гальванические элементы содержат тяжелые металлы (кадмий, ртуть, свинец) и другие токсичные вещества, которые при попадании на свалку загрязняют почву и грунтовые воды. Один аккумулятор заменяет сотни одноразовых батареек, что существенно снижает вредное воздействие на окружающую среду.

3. Практичность и удобство. Для многих современных портативных устройств (смартфоны, ноутбуки, планшеты, электромобили) возможность быстрой перезарядки является критически важной функцией, обеспечивающей их непрерывную и комфортную эксплуатацию.

Ответ: Главное преимущество аккумулятора перед гальваническим элементом заключается в обратимости протекающих в нём химических процессов, что позволяет многократно перезаряжать его и использовать повторно. Это обеспечивает экономическую выгоду в долгосрочной перспективе и снижает негативное воздействие на окружающую среду.

2. На рисунке 77 изображены заряженный и незаряженный электрометры. Потечёт ли электрический ток по металлическому стержню, если им коснуться одновременно шариков электрометров?

Решение

Электрический ток представляет собой упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Для возникновения электрического тока в проводнике необходимо выполнение двух основных условий:

1. Наличие свободных носителей заряда.
2. Наличие электрического поля, которое создается разностью потенциалов на концах проводника.

В данной задаче мы имеем два электрометра: один заряжен, другой — нет.

1. Заряженный электрометр (на рисунке слева) обладает некоторым электрическим зарядом $q_1$. Наличие заряда означает, что на его шарике и стержне существует электрический потенциал $\phi_1$, отличный от нуля. Это видно по отклоненной стрелке прибора.

2. Незаряженный электрометр (на рисунке справа) имеет заряд $q_2 = 0$. Его электрический потенциал $\phi_2$ равен нулю (или потенциалу окружающего пространства). Стрелка этого прибора находится в нулевом положении.

Таким образом, между шариками двух электрометров существует разность потенциалов: $\Delta\phi = \phi_1 - \phi_2 \neq 0$.

Металлический стержень является проводником, а значит, в нем есть свободные носители заряда — электроны.

Когда мы одновременно касаемся шариков электрометров металлическим стержнем, мы создаем проводящее соединение между точками с разным потенциалом. Под действием электрического поля, созданного этой разностью потенциалов, свободные электроны в стержне придут в упорядоченное движение. Это движение и есть электрический ток.

Заряды будут перетекать с заряженного электрометра на незаряженный (или наоборот, в зависимости от знака заряда, но движение будет в любом случае) до тех пор, пока потенциалы обоих электрометров не выровняются. После этого перераспределения заряда ток прекратится. Следовательно, ток будет кратковременным. В итоге оба электрометра окажутся заряженными, и их стрелки будут показывать некоторое одинаковое (при условии, что электрометры идентичны) отклонение.

Ответ: Да, по металлическому стержню потечёт кратковременный электрический ток, так как между заряженным и незаряженным шариками существует разность потенциалов, которая заставит свободные заряды в металлическом стержне двигаться упорядоченно.

3. Имеется заряженный электроскоп и металлический стержень. Что нужно сделать, чтобы по стержню потёк электрический ток?

Для того чтобы по металлическому стержню потек электрический ток, необходимо создать на его концах разность потенциалов. Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц, которое возникает в проводнике только при наличии в нем электрического поля, создаваемого разностью потенциалов.

Заряженный электроскоп обладает электрическим потенциалом, отличным от потенциала Земли или человеческого тела, потенциал которых условно принимается за нулевой. Металлический стержень является проводником, так как содержит свободные носители заряда (электроны), которые могут перемещаться под действием электрического поля.

Чтобы создать разность потенциалов на концах стержня, необходимо соединить им две точки с разными потенциалами. Для этого нужно выполнить следующие действия: одним концом металлического стержня коснуться заряженного электроскопа (его шара или стержня), а второй конец заземлить. Самый простой способ заземления в данном случае — это держать стержень в руке. Человеческое тело является проводником и имеет достаточно большую электрическую емкость, чтобы его потенциал можно было считать равным нулю.

Как только стержень соединит электроскоп и землю (через руку), между его концами возникнет разность потенциалов. Это приведет к появлению электрического поля внутри стержня, которое заставит свободные электроны двигаться. Это упорядоченное движение электронов и будет являться электрическим током. Ток будет протекать кратковременно, до тех пор, пока весь избыточный заряд с электроскопа не перетечет на землю и потенциал электроскопа не станет равным потенциалу земли (нулю).

Ответ: Чтобы по стержню потёк электрический ток, нужно один его конец соединить с заряженным электроскопом, а второй конец заземлить (например, взяв его в руку).

4. В чём главное отличие электрического тока, возникающего в соединяющем полюсы гальванического элемента металлическом проводнике, от тока, возникающего при разрядке электрометра?

4. Главное отличие между электрическим током в проводнике, соединяющем полюсы гальванического элемента, и током при разрядке электрометра заключается в продолжительности и механизме поддержания тока.

Электрический ток, возникающий в цепи с гальваническим элементом, является постоянным и длительным. Он существует благодаря тому, что внутри гальванического элемента действуют так называемые сторонние силы (в данном случае, силы химической природы). Эти силы непрерывно совершают работу по разделению положительных и отрицательных зарядов, создавая и поддерживая постоянную разность потенциалов на полюсах элемента. Энергия химических реакций преобразуется в электрическую энергию, которая и обеспечивает непрерывное упорядоченное движение зарядов по проводнику. Такой ток будет существовать до тех пор, пока в элементе не закончится запас химических реагентов.

В отличие от этого, ток при разрядке электрометра является кратковременным. Заряженный электрометр обладает некоторым запасом статического электричества, и вокруг него существует электростатическое поле. Когда электрометр соединяют проводником с другим телом (например, с землей), накопленные заряды приходят в движение под действием этого поля, стремясь нейтрализоваться и выровнять потенциалы. Это движение зарядов и представляет собой ток разрядки. Однако в этом процессе отсутствуют сторонние силы, которые бы восполняли убыль зарядов и поддерживали разность потенциалов. Поэтому ток существует лишь очень короткое время — до тех пор, пока электрометр полностью не разрядится и его потенциал не сравняется с потенциалом тела, на которое он разряжается.

Ответ: Главное отличие состоит в том, что ток в цепи с гальваническим элементом является длительным, так как он поддерживается работой сторонних сил внутри элемента, которые преобразуют химическую энергию в электрическую. Ток при разрядке электрометра является кратковременным, так как он представляет собой лишь быструю нейтрализацию накопленного статического заряда и прекращается после выравнивания потенциалов, поскольку в этом процессе сторонние силы отсутствуют.