الحماية الكاثودية

وينتج التيار الكهربائي في كومة فولتيك عن طريق تفاعل الأكسدة والاختزال. في أنود الزنك، يتأكسد فلز الزنك، ويطلق إلكترونين لكل ذرة ([latex]Zn \right \rightarrow Zn^{2+} + 2e^{-}[/latex]). تنتقل هذه الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية إلى مهبط النحاس. وهناك، يتم اختزال أيونات الهيدروجين من الإلكتروليت المائي، مكونةً غاز الهيدروجين ([latex]2T2H^{+} + 2e^^{-} \rightarrow H_2[/latex]).

من العيوب الرئيسية للكومة الفولتية استقطاب الأقطاب الكهربائية. أثناء التشغيل، يُشكّل غاز الهيدروجين الناتج عن الكاثود النحاسي طبقة عازلة من الفقاعات على سطحها. تزيد هذه الطبقة من المقاومة الداخلية للبطارية وتُقلّل مساحة السطح المتاحة للتفاعل. ونتيجةً لذلك، ينخفض ​​جهد وتيار الكومة بشكل ملحوظ بعد فترة وجيزة من بدء استخدامها.

معادلات نافيير-ستوكس هي مجموعة من المعادلات التفاضلية الجزئية غير الخطية التي تصف حركة المواد اللزجة للسوائل. وهي عبارة عن بيان لقانون نيوتن الثاني الذي يوازن بين تغيُّرات كمية الحركة وتدرُّجات الضغط وقوى اللزوجة والقوى الخارجية. بالنسبة إلى المائع غير القابل للانضغاط، تكون المعادلة [latex] \rho (\frac{\partial \mathbf{v}}{\partial t}+ \mathbf{v} \cdot \nabla \mathbf{v}) = - \nabla p + \mu \mu \nabla^2 \mathbf{v} + \mathbf{f}[/latex].

ينص هذا القانون على أن القوة الدافعة الكهربية (EMF، [latex]\mathcal{E}[/latex]) المستحثة في أي دائرة مغلقة تساوي سالب المعدل الزمني لتغير الفيض المغناطيسي ([latex]\Phi_Bhi_B[/latex]) عبر الدائرة. والتعبير الرياضي هو [latex]\Mathcal{E} = - \frac{d\Phi_B}{dt}[/latex]. وهذا المبدأ هو أساس المولدات الكهربائية والمحولات والمحثات التي تصف التأثير العياني للحث.

يحدد قانون لينز اتجاه القوة الدافعة الكهربائية المُستحثة والتيار الناتج عن الحث الكهرومغناطيسي. وينص على أن التيار المُستحث سيتدفق في اتجاه يُنشئ مجالًا مغناطيسيًا يُعاكس التغير في التدفق المغناطيسي الذي أحدثه. هذا المبدأ هو نتيجة لمبدأ حفظ الطاقة، ويُمثل بالإشارة السالبة في قانون فاراداي.

مبدأ أساسي ينص على أن الطاقة الكلية لنظام معزول تظل ثابتة بمرور الوقت. فالطاقة لا يمكن أن تُستحدث أو تفنى، بل تتحول فقط من صورة إلى أخرى، مثل التحول من طاقة وضع إلى طاقة حركية. في الميكانيكا الكلاسيكية، بالنسبة للأنظمة ذات القوى المحافظة فقط، تكون الطاقة الميكانيكية الكلية [latex]E = T + V[/latex] محفوظة.

أول بطارية كهربائية، تُنتج تيارًا مستمرًا بتكديس أزواج من أقراص معدنية مختلفة (مثل الزنك والنحاس)، مفصولة بقطعة قماش مبللة بمحلول ملحي. يُشكل كل زوج خلية جلفانية، ويؤدي تكديسها على التوالي إلى زيادة الجهد الكلي. أظهر هذا الترتيب أول تحويل مستمر للطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، ممهدًا الطريق للكيمياء الكهربائية الحديثة.

أسست الكومة الفولتية مبدأ إضافة الفولتية عن طريق توصيل الخلايا الكهروكيميائية على التوالي. يولد كل زوج من الزنك والنحاس، أو خلية، قوة دافعة كهرومغناطيسية مميزة (EMF) تبلغ 0.76 فولت تقريبًا. من خلال تكديس هذه الخلايا فيزيائيًا، أثبت فولتا أن الجهد الكلي عبر الكومة هو مجموع القوى الدافعة الكهرومغناطيسية الفردية لكل خلية، كما هو موضح في [latex]V_TV_{total} = n \times V_{cell}[/latex].

يُعامل افتراض الاستمرارية السوائل كمادة متصلة، لا كجزيئات منفصلة. ويُطبّق هذا التبسيط عندما يكون مقياس طول المسألة أكبر بكثير من المسافة بين الجزيئات، مما يسمح بتحديد خصائص مثل الكثافة والسرعة عند نقاط متناهية الصغر. وهذا يُمكّن من استخدام المعادلات التفاضلية لوصف السلوك العياني لتدفق السوائل.

إن موتر إجهاد كاوتشي، الذي يُرمز إليه بـ[latex]\boldsymbol{\sigma}[/latex]، هو موتر من الدرجة الثانية يُعرِّف تمامًا حالة الإجهاد عند نقطة داخل مادة ما. وهي تربط متجه الجر (القوة لكل وحدة مساحة) [latex]\mathbf{T}[/latex] على أي سطح يمر عبر تلك النقطة بالمتجه العمودي للسطح [latex]\mathbf{n}[/latex] عبر العلاقة الخطية [latex]\mathbf{T} = \boldsymbol{\sigma} \cdot \mathbf{n}[/latex].

المصدر الرئيسي للقوة الدافعة الكهربية هو الحث الكهرومغناطيسي، الذي يصفه قانون فاراداي. وينص هذا القانون على أن الفيض المغناطيسي المتغير بمرور الزمن [latex]\Phi_B[/latex] عبر دائرة كهربية يستحث قوة دافعة كهرومغناطيسية ([latex]\mathcal{E}[/latex]). ويتناسب مقدار القوة الدافعة الكهرومغناطيسية مع معدل التغير في الفيض الذي تعطيه المعادلة [latex]\mathcal{E} = - \frac{d\dPhi_B}{dt}[/latex]. وهذا المبدأ هو أساس المولدات الكهربائية والمحولات والمحثات الكهربائية.

إعادة صياغة للميكانيكا الكلاسيكية التي تستخدم الإحداثيات المعممة وعزمها المرافق. وهي تستند إلى دالة هاميلتون، [latex]H(q، p، t)[/latex]، التي تمثل الطاقة الكلية للنظام. توصف الديناميكيات بمعادلات هاملتون [latex] \dot{q}_i = \frac{\partial H}{\partial p_i}[/latex] و[latex] \dot{p}i = -\frac{\partial H}{\partial q_i}[/latex]. هذا الإطار أساسي في ميكانيكا الكم والميكانيكا الإحصائية.

تُعدّ خلية دانييل تحسينًا على الكومة الفولتية، وتتكون من قطب نحاسي في محلول كبريتات النحاس الثنائي وقطب زنك في محلول كبريتات الزنك، ويفصل بينهما حاجز مسامي. يمنع هذا التصميم ثنائي السوائل تراكم غاز الهيدروجين (الاستقطاب) على القطب النحاسي، مما ينتج عنه مصدر جهد أكثر استقرارًا وموثوقيةً لفترة أطول.

اللزوجة المرنة هي خاصية للمواد التي تُظهر خصائص اللزوجة والمرونة معًا عند تعرضها للتشوه. المواد اللزجة، مثل العسل، تقاوم تدفق القص والانفعال خطيًا مع مرور الوقت عند تطبيق إجهاد. أما المواد المرنة، مثل الشريط المطاطي، فتنفعل عند شدها وتعود بسرعة إلى حالتها الأصلية بمجرد زوال الإجهاد. تحتوي المواد اللزجة المرنة على عناصر من كليهما.