Гальванический элемент – это источник электрической энергии, принцип действия основан на химических реакциях. Большинство современных батареек и аккумуляторов подпадает под определение и относится к рассматриваемой категории. Физически гальванический элемент состоит из проводящих электродов, погруженных в одну или две жидкости (электролиты).
Общая информация
Гальванические элементы делятся на первичные и вторичные в соответствии со способностью вырабатывать электрический ток. Оба вида считаются источниками и служат для различных целей. Первые вырабатывают ток в ходе химической реакции, вторые функционируют исключительно после зарядки. Ниже обсудим обе разновидности. По количеству жидкостей различают две группы гальванических элементов:
Непостоянство источников питания с единственной жидкостью заметил Ом, открыв неприемлемость гальванического элемента Волластона для экспериментов по исследованию электричества. Динамика процесса такова, что в начальный момент времени ток велик и вначале растёт, потом за несколько часов падает до среднего значения. Современные аккумуляторы капризны.
История открытия химического электричества
Мало известен факт, что в 1752 году гальваническое электричество упоминалось Иоганном Георгом. Издание Исследование происхождения приятных и неприятных ощущений, выпущенное Берлинской академией наук, даже придавало явлению вполне правильное толкование. Опыт: серебряную и свинцовую пластины соединяли с одного конца, а противоположные с разных сторон прикладывались к языку. На рецепторах наблюдается вкус железного купороса. Читатели уже догадались, описанный способ проверки батареек часто использовали в СССР.
Объяснение явления: видимо, имеются некие частицы металла, раздражающие рецепторы языка. Частицы испускаются одной пластиной при соприкосновении. Причём один металл при этом растворяется. Собственно, налицо принцип действия гальванического элемента, где цинковая пластина постепенно исчезает, отдавая энергию химических связей электрическому току. Объяснение сделано за полвека до официального доклада Королевскому обществу Лондона Алессандро Вольта об открытии первого источника питания. Но, как происходит часто с открытиями, к примеру, электромагнитным взаимодействием, опыт остался незамечен широкой научной общественностью и не исследован должным образом.
Добавим, это оказалось связано с недавней отменой преследования за колдовство: немногие решались после печального опыта «ведьм» на изучение непонятных явлений. Иначе обстояло дело с Луиджи Гальвани, с 1775 года работающим на кафедре анатомии в Болонье. Его специализаций считались раздражители нервной системы, но светило оставил значимый след не в области физиологии. Ученик Беккарии активно занимался электричеством. Во второй половине 1780 года, как следует из воспоминаний учёного (1791, De Viribus Electricitatis in Motu Muscylary: Commentarii Bononiensi, том 7, стр. 363), в очередной раз производилось препарирование лягушки (опыты и потом длились долгие годы).
Примечательно, что необычное явление подмечено ассистентом, в точности, как с отклонением стрелки компаса проводом с электрическим током: открытие сделали лишь косвенно связанные с научными исследованиями люди. Наблюдение касалось подергиваний нижних конечностей лягушки. В ходе опыта ассистент задел внутренний бедренный нерв препарируемого животного, ножки дёрнулись. Рядом, на столе стоял электростатический генератор, на приборе проскочила искра. Луиджи Гальвани немедленно загорелся идеей повторить опыт. Что удалось. И опять на машине проскочила искра.
Образовалась параллель связи с электричеством, и Гальвани возжелал узнать, станет ли на лягушку действовать подобным образом гроза. Оказалось, что природные катаклизмы не оказывают заметного воздействия. Лягушки, прикреплённые медными крючками за спинной мозг к железной ограде, дёргались вне зависимости от погодных условий. Опыты не удавалось реализовать со 100-процентной повторяемостью, атмосфера воздействия не оказывала. В итоге Гальвани нашёл сонм пар, составленных из разных металлов, которые при соприкосновении между собой и нервом вызывали подёргивание лапок у лягушки. Сегодня явление объясняют различной степенью электроотрицательности материалов. К примеру, известно, что нельзя алюминиевые пластины клепать медью, металлы составляют гальваническую пару с ярко выраженными свойствами.
Гальвани справедливо заметил, что образуется замкнутая электрическая цепь, предположил, что лягушка содержит животное электричество, разряжаемое подобно лейденской банке. Алессандро Вольта не принял объяснения. Внимательно изучив описание экспериментов, Вольта выдвинул объяснение, что ток возникает при объединении двух металлов, непосредственно или через электролит тела биологического существа. Причина возникновения тока кроется в материалах, а лягушка служит простым индикатором явления. Цитата Вольты из письма, адресованного редактору научного журнала:
Проводники первого рода (твёрдые тела) и второго рода (жидкости) при соприкосновении в некоторой комбинации рождают импульс электричества, сегодня нельзя объяснить причины возникновения явления. Ток течёт по замкнутому контуру и исчезает, если целостность цепи нарушена.
Вольтов столб
Лепту в череду открытий внёс Джованни Фаброни, сообщивший, что при размещении двух пластинок гальванической пары в воду, одна начинает разрушаться. Следовательно, явление имеет отношение к химическим процессам. А Вольта тем временем изобрёл первый источник питания, долгое время служивший для исследования электричества. Учёный постоянно искал способы усиления действия гальванических пар, но не находил. В ходе опытов создана конструкция вольтова столба:
- Попарно брались цинковые и медные кружки в плотном соприкосновении друг с другом.
- Полученные пары разделялись мокрыми кружками картона и ставились друг над другом.
Легко догадаться, получилось последовательное соединение источников тока, которые суммируясь, усиливали эффект (разность потенциалов). Новый прибор вызывал при прикосновении ощутимый для руки человека удар. Подобно опытам Мушенбрука с лейденской банкой. Однако для повторения эффекта требовалось время. Стало очевидно, что источник энергии имеет химическое происхождение и постепенно возобновляется. Но привыкнуть к понятию нового электричества оказалось непросто. Вольтов столб вёл себя подобно заряженной лейденской банке, но…
Вольта организует дополнительный эксперимент. Снабжает каждый из кружков изолирующей ручкой, приводит в соприкосновение на некоторое время, потом размыкает и проводит исследование электроскопом. К тому времени уже стал известен закон Кулона, выясняется, что цинк зарядился положительно, а медь – отрицательно. Первый материал отдал электроны второму. По указанной причине цинковая пластина вольтова столба постепенно разрушается. Для изучение работы назначили комиссию, которой представили доводы Алессандро. Уже тогда путём умозаключений исследователь установил, что напряжение отдельных пар складывается.
Вольта объяснил, что без мокрых кружков, прокладываемых между металлами, конструкция ведёт себя как две пластинки: медная и цинковая. Усиления не происходит. Вольта нашёл первый ряд электроотрицательности: цинк, свинец, олово, железо, медь, серебро. И если исключить промежуточные металлы между крайними, «движущая сила» не изменяется. Вольта установил, что электричество существует, пока соприкасаются пластины: сила не видна, но легко чувствуется, следовательно, она истинна. Учёный 20 марта 1800 года пишет президенту Королевского общества Лондона сэру Джозефу Бэнксу, к которому обращался впервые и Майкл Фарадей.
Английские исследователи быстро обнаружили: если на верхнюю пластину (медь) капнуть воды, в указанной точке в районе контакта выделяется газ. Они проделали опыт с обоих сторон: провода подходящей цепи заключили в колбы с водой. Газ исследовали. Оказалось, что газ горючий, выделяется лишь с единственной стороны. С противоположной заметно окислилась проволока. Установлено, что первое является водородом, а второе явление происходит вследствие избытка кислорода. Установлено (2 мая 1800 года), что наблюдаемый процесс – разложение воды под действием электрического тока.
Уильям Крукшенк немедленно показал, что аналогичное допустимо проделать с растворами солей металлов, а Волластон окончательно доказал идентичность вольтова столба статическому электричеству. Как выразился учёный: действие слабее, но обладает большей продолжительностью. Мартин Ван Марум и Христиан Генрих Пфафф зарядили от элемента лейденскую банку. А профессор Хампфри Дэви установил, что чистая вода не может служить в этом случае электролитом. Напротив, чем сильнее жидкость способна окислять цинк, тем лучше действует вольтов столб, что вполне согласовывалось с наблюдениями Фаброни.
Кислота намного улучшает работоспособность, ускоряя процесс выработки электричества. В конце концов Дэви создал стройную теорию вольтова столба. Он пояснил, что металлы изначально обладают неким зарядом, при замыкании контактов вызывающим действие элемента. Если электролит способен окислять поверхность донора электронов, слой истощённых атомов постепенно удаляется, открывая новые слои, способные давать электричество.
В 1803 году Риттер собрал столб из чередующихся кружков серебра и мокрого сукна, прообраз первого аккумулятора. Риттер зарядил его от вольтова столба и наблюдал процесс разрядки. Правильное толкование явлению дал Алессандро Вольта. И лишь в 1825 году Огюст де ла Рив доказал, что перенос электричества в растворе осуществляется ионами вещества, наблюдая образование оксида цинка в камере с чистой водой, отделённой от соседней мембраной. Заявление помогло Берцелиусу создать физическую модель, в которой атому электролита представлялись составленными из двух противоположно заряженных полюсов (ионов), способных диссоциировать. В результате получилась стройная картина переноса электричества на расстояние.
Гальванические элементы и батареи
Г. элементом, или гальванической парой, называется прибор, состоящий из двух металлических пластинок (одна из которых может быть заменена коксовой), погружаемых в одну или две различные жидкости, и служащий источником гальванического тока. Некоторое число Г. элементов, соединенных между собой известным образом, составляет гальваническую батарею. Простейший по устройству Г. элемент состоит из двух пластинок, погружаемых в глиняный или стеклянный стакан, в котором налита жидкость, соответствующая роду пластинок; пластинки не должны иметь металлического соприкосновения в жидкости. Г. элементы называются первичными,
если они суть самостоятельные источники тока, и вторичными,
если они становятся действующими лишь после более или менее продолжительного действия на них источников электричества, их заряжающих. Рассматривая происхождение Г. элементов, нужно начать с вольтова столба, родоначальника всех последующих гальванических батарей, или с чашечной батареи Вольта. Вольтов столб.
Для составления его Вольта брал пары разнородных металлических кружков, сложенных или даже спаянных по основанию, и картонные или суконные кружки, смоченные водой или раствором едкого кали. Первоначально употреблялись серебряные и медные кружки, а потом обычно цинковые и медные. Из них составлялся столб, как показано на черт. 1, а именно: сперва кладется медная и на нее цинковая пластинка (или наоборот), на которую накладывается смоченный картонный кружок; это составляло одну пару, на которую накладывалась вторая, составленная опять из медного, цинкового и картонных кружков, наложенных друг на друга в таком же порядке, как и в первой паре. Продолжая накладывать в таком же порядке последующие пары можно составить столб; столб, изображенный на черт. 1, слева состоит из 11 вольтовых пар. Если столб установлен на пластинке изолирующего, т. е. не проводящего электричество, вещества, например, на стеклянной, то, начиная от середины его, одна половина столба (нижняя на нашем чертеже) окажется заряженной положительным электричеством, а другая (верхняя по чертежу) - отрицательным. Напряженность электричества, неощутимая посередине, растет по мере приближения к концам, на которых она наибольшая. К самой нижней и самой верхней пластинкам припаиваются проволоки; приведение в соприкосновение свободных концов проволок дает начало движению положительного электричества от нижнего конца столба через проволоку к верхнему и движению отрицательного электричества по противоположному направлению; образуется электрический, или гальванический, ток (см. это слово). Вольта считал парой две пластинки разнородных металлов, а жидкости приписывал только способность проводить электричество (см. Гальванизм); но по взгляду, установившемуся позднее, пара состоит из двух разнородных пластинок и жидкого слоя между ними;
поэтому самая верхняя и самая нижняя пластинки столба (черт. 1 справа) могут быть сняты. Такой столб будеть состоять из 10 пар, и тогда самая нижняя пластинка его будет медная, а самая верхняя - цинковая и направление движения электричества, или направление гальванического тока, в нем останется прежнее: от нижнего конца столба (теперь от цинка) к верхнему (к меди). Медный конец столба был назван положительным полюсом, цинковый - отрицательным. Впоследствии по терминологии Фарадея положительный полюс назван анодом,
отрицательный - катодом.
Вольтов столб может быть уложен горизонтально в корытце, покрытое внутри изолирующим слоем воска, сплавленного с гарпиусом. Ныне вольтов столб не употребляется по причине большого труда и времени, нужных на его составление и разборку; но в прежнее время пользовались столбами, составленными из сотен и тысяч пар; в Петербург профессор В. Петров пользовался в 1801-2 гг. при своих опытах столбом, состоявшим иногда из 4200 пар (см. Гальванизм), Вольта строил свой аппарат и в другой форме, которая и есть форма позднейших батарей. Батарея Вольта (corona di tazze) состояла из чашек, расположенных по окружности круга, в которые наливалась теплая вода или раствор соли; в каждой чашке находились две металлические разнородные пластинки, одна против другой. Каждая пластинка соединена проволокой с разнородной пластинкой соседней чашки, так что от одной чашки к другой по всей окружности пластинки постоянно чередуются: цинк, медь, потом опять цинк и медь и т. д. В том месте, где окружность замыкается, в одной чашке имеется цинковая пластинка, в другой - медная; по проволоке, соединяющей эти крайние пластинки, будет идти ток от медной пластинки (положительного полюса) к цинковой (отрицательному полюсу). Эту батарею Вольта считал менее удобной, чем столб, но на самом деле именно форма батареи получила всеобщее распространение. В самом деле устройство вольтова столба вскоре было изменено (Крюйкшанк): продолговатый деревянный ящик, разделенный поперек пластинками меди и цинка, спаянными между собой, на маленькие отделения, в которые наливалась жидкость, был удобнее обычного вольтова столба. Еще лучше был ящик, разделенный на отделения деревянными поперечными стенками; медная и цинковая пластинки ставились по обе стороны каждой перегородки, будучи спаяны между собой сверху, где оставлялось, кроме того, ушко. Деревянная палка, проходившая через все ушки, служила для поднятия всех пластинок из жидкости или для погружения их. Элементы с одной жидкостью.
Вскоре после того стали делать отдельные пары или элементы, которые могли быть соединены в батареи различными способами, польза которых особенно ясно обнаружилась после того, как Ом выразил формулой силу тока в зависимости от электровозбудительной (или электродвижущей) силы элементов и от сопротивлений, встречаемых током как во внешних проводниках, так и внутри элементов (см. Гальванический ток). Электровозбудительная сила элементов зависит от металлов и жидкостей, их составляющих, а внутреннее сопротивление - от жидкостей и от размеров элементов. Для уменьшения сопротивления и увеличения тем силы тока надо толщину слоя жидкости между разнородными пластинками уменьшать, а размеры погружаемой поверхности металлов увеличивать. Это выполнено в элементе Волластона
(Wollaston - по более правильному выговору Вульстен). Цинк помещен внутри согнутой медной пластинки, в которой вставлены кусочки дерева или пробки, не допускающие соприкосновения пластинок; к каждой из пластинок припаяна проволока, обычно медная; концы этих проволок приводятся в соприкосновение с предметом, через который хотят пропустить ток, идущий по направлению от меди к цинку по внешним проводникам и от цинка к меди по внутренним частям элемента. Вообще, ток идет внутри жидкости от металла, на который жидкость действует химически сильнее, к другому, на который она действует слабее.
В этом элементе обе поверхности цинковой пластинки служат для истечения электричества; такой способ удвоения поверхности одной из пластинок потом вошел в употребление при устройстве всех элементов с одной жидкостью. В элементе Волластона употребляется разведенная серная кислота, разлагающаяся во время действия тока (см. Гальванопроводность); результатом разложения будет окисление цинка и образование цинкового купороса, растворяющегося в воде, и выделение водорода на медной пластинке, приходящей от этого в поляризованное состояние (см. Поляризация гальваническая и Гальванопроводность), уменьшающее силу тока. Изменчивость этого поляризованного состояния сопровождается изменчивостью силы тока. Из многих элементов с одной жидкостью называем элементы Сми
(Smee) и Грене,
в первом - платина или платинированное серебро среди двух цинковых пластинок, все - погруженное в разбавленную серную кислоту. Химическое действие такое же, как и в элементе Волластона, и поляризуется водородом платина; но ток менее переменчив. Электровозбудительная сила больше, чем в медно-цинковом. Элемент Грене
состоит из цинковой пластинки, помещающейся между двух плиток, выпиленных из кокса; жидкость для этого элемента приготавливается по разным рецептам, но всегда из двухромокалиевой соли, серной кислоты и воды. По одному рецепту на 2500 грамм воды надо взять 340 грамм названной соли и 925 грамм серной кислоты. Электровозбудительная сила больше, чем в элементе Волластона. Во время действия элемента Грене образуется, как и в предыдущих случаях, цинковый купорос; но водород, соединяясь с кислородом хромовой кислоты, образует воду; в жидкости образуются хромовые квасцы; поляризация уменьшена, но не уничтожена. Для элемента Грене употребляется стеклянный сосуд с расширенной нижней частью, как то изображено на фиг. 7 таблицы "Гальванические элементы и батареи". Жидкости наливается столько, чтобы цинковую пластинку Z,
которая короче коксовых С,
можно было, потянув прикрепленный к ней стержень Т,
вынуть из жидкости на то время, когда элемент должен оставаться без действия. Зажимы В, В,
соединенные - один с оправой стержня Т,
а следовательно, с цинком, а другой с оправой углей, назначены для концов проволок-проводников. Ни пластинки, ни их оправы не имеют металлического соприкосновения между собой; ток идет по соединительным проволокам через внешние предметы по направлению от кокса к цинку. Угольно-цинковый элемент может быть употребляем с раствором поваренной соли (в Швейцарии, для телеграфов, звонков) и тогда действует 9-12 мес. без ухода. Элемент Лаланда и Шаперона,
усовершенствованный Эдисоном, состоит из плитки цинка и другой, спрессованной из окиси меди. Жидкость - раствор едкого кали. Химическое действие - окисление цинка, образующего потом соединение с кали; отделяющийся водород, окисляясь кислородом окиси цинка, входит в состав образующейся воды, а медь восстанавливается. Внутреннее сопротивление малое. Возбудительная сила не определена с точностью, но меньше, чем у элемента Даниэля. Элементы с двумя жидкостями.
Так как выделение водорода на одном из твердых тел Г. элементов есть причина, уменьшающая силу тока (собственно электровозбудительную) и сообщающая ему непостоянство, то помещение пластинки, на которой водород выделяется, в жидкости, способной отдать кислород на соединение его с водородом, должно сделать ток постоянным. Беккерель первый устроил (1829) медно-цинковый элемент с двумя жидкостями для названной цели, когда еще не были известны элементы Грене и Лаланда. Позднее Даниэль
(1836) устроил подобный же элемент, но более удобный в употреблении. Для разделения жидкостей нужны два сосуда: один стеклянный или глазурованный глиняный, содержит в себе цилиндрический, глиняный, слабообожженный, а потому пористый, сосуд, в который наливается одна из жидкостей и помещается один из металлов; в кольцеобразном промежутке между двумя сосудами налита другая жидкость, в которую погружена пластинка другого металла. В элементе Даниэля цинк погружен в слабую серную кислоту, а медь в водный раствор медного (синего) купороса. Фиг. 1 таблицы изображает 3 элемента Даниэля, соединенные в батарею; цилиндры, гнутые из цинка, помещены во внешние стеклянные стаканы, медные пластинки тоже в форме цилиндра или согнутые наподобие буквы S - помещены во внутренние глиняные цилиндры. Можно расположить и обратно, т. е. медь во внешних сосудах. Ток идет от меди к цинку по внешним проводникам и от цинка к меди через жидкость в самом элементе или батарее, причем разлагаются одновременно обе жидкости: в сосуде с серной кислотой образуется цинковый купорос, а водород идет к медной пластинке, в то же время медный купорос (CuSO 4) разлагается на медь (Cu), осаждающуюся на медную пластинку, и отдельно не существующее соединение (SO 4), которое химическим процессом образует с водородом воду прежде, чем он успеет выделиться в виде пузырьков на меди. Пористая глина, легко смачиваемая обеими жидкостями, дает возможность передаваться химическим процессам от частицы к частицам через обе жидкости от одного металла к другому. После действия тока, продолжительность которого зависит от его силы (а эта последняя отчасти от внешних сопротивлений), а также от количества жидкостей, содержащихся в сосудах, весь медный купорос издерживается, на что указывает обесцвечивание его раствора; тогда начинается отделение пузырьков водорода на меди, а вместе с тем поляризация этого металла. Этот элемент называется постоянным, что однако надо понимать относительно: во-первых и при насыщенном купоросе есть слабая поляризация, но главное - внутреннее сопротивление элемента сначала уменьшается, а потом растет. По этой второй и главной причине замечается в начале действия элемента постепенное усиление тока, тем значительнейшее, чем менее ослаблена сила тока внешними или внутренними сопротивлениями. Через полчаса, час и более (продолжительность растет с количеством жидкости при цинке) ток начинает ослабевать медленнее, чем возрастал, и еще через несколько часов доходит до первоначальной силы, постепенно ослабевая далее. Если в сосуде с раствором медного купороса помещен запас этой соли в нерастворенном виде, то это продолжает существование тока, равно как и замена образовавшегося раствора цинкового купороса свежей разбавленной серной кислотой. Однако при замкнутом элементе уровень жидкости при цинке мало-помалу понижается, а при меди повышается - обстоятельство само по себе ослабляющее ток (от увеличения сопротивления по этой причине) и притом указывающее на переход жидкости из одного сосуда в другой (перенос ионов см. Гальванопроводность, осмос гальванический). В сосуд с цинком просачивается медный купорос, из которого цинк чисто химическим путем выделяет медь, заставляя ее осаждаться частью на цинк, частью на стенки глиняного сосуда. По этим причинам происходит большая бесполезная для тока трата цинка и медного купороса. Однако все же элемент Даниэля принадлежит к числу самых постоянных. Глиняный стакан, хотя и смачиваемый жидкостью, представляет большое сопротивление току; употребляя пергамент вместо глины, можно значительно усилить ток путем уменьшения сопротивления (элемент Карре);
пергамент может быть заменен животным пузырем. Вместо разбавленой серной кислоты можно при цинке употреблять раствор поваренной или морской соли; возбудительная сила остается почти та же. Химические действия не исследованы. Элемент Мейдингера.
Для частого и продолжительного и притом довольно постоянного, но слабого тока может служить элемент Мейдингера (фиг. 2 таблицы), составляющий видоизменение элемента Даниэля. Внешний стакан имеет расширение наверху, где на внутреннюю закраину ставится цинковый цилиндр; на дне стакана помещен другой маленький, в который поставлен цилиндрик, свернутый из листовой меди, или же кладется медный кружок на дно внутреннего сосуда, наполняемого потом раствором медного купороса. После этого осторожно наливают сверху раствор сернокислой магнезии, который заполняет все свободное пространство внешнего сосуда и не смещает раствора купороса, как имеющего больший удельный вес. Тем не менее по диффузии жидкостей купорос медленно достигает цинка, где и отдает свою медь. Для поддержания насыщенности этого раствора внутрь элемента ставится еще опрокинутая стеклянная колба с кусками медного купороса и водой. От металлов идут наружу проводники; части их, находящиеся в жидкости, имеют гуттаперчевую оболочку. Отсутствие глиняной банки в элементе позволяет пользоваться им долгое время без перемены его частей; но внутреннее сопротивление его велико, переносить его с места на место надо очень осторожно и в нем бесполезно для тока издерживается много медного купороса; в колбе даже маленького элемента помещается около 1 / 2 килограмма купороса. Он весьма пригоден для телеграфов, электрических звонков и в других подобных случаях и выстаивает месяцы. Элементы Калло и Труве-Калло
похожи на элементы Мейдингера, но проще последних. Крестен
в Петербурге также устроил полезное видоизменение элемента Мейдингера. Элемент Томсона
в форме блюда или подноса есть измененный даниэлевский; пористые плоские перепонки из пергаментной бумаги отделяют одну жидкость от другой, но можно обходиться и без перепонок. Элемент Сименса
и Гальске
также относится к разряду даниэлевских. Элемент Минотто.
Медный кружок на дне стеклянной банки, на который насыпаются кристаллы медного купороса, а сверху толстый слой кремнистого песку, на который накладывается цинковый кружок. Все заливается водой. Служит от 1 1 / 2 до 2 лет на телеграфных линиях. Вместо песка можно взять порошок животного угля (Дарсонваль). Элемент Труве.
Медный кружок, на котором столбик кружков из пропускной бумаги, снизу пропитанный медным купоросом, сверху - цинковым купоросом. Небольшое количество воды, смачивающей бумагу, приводит элемент в действие. Сопротивление довольно большое, Действие продолжительно и постоянно. Элемент Грове,
платиново-цинковый; платина погружается в крепкую азотную кислоту, цинк в слабую серную кислоту. Выделяющийся действием тока водород окисляется за счет кислорода азотной кислоты (NHO 2), переходящей в азотный ангидрид (N 2 O 4), выделяющиеся красно-оранжевые пары которой вредны для дыхания и портят все медные части аппарата, которые потому лучше делать из свинца. Эти элементы могут быть употребляемы лишь в лабораториях, где имеются вытяжные шкафы, а в обычной комнате должны быть поставлены в печь или камин; они имеют большую возбудительную силу и малое внутреннее сопротивление - все условия для большой силы тока, которая тем постояннее, чем больший объем жидкостей содержится в элементе. Фиг. 6 таблицы изображает такой элемент плоской формы; вне его справа изображена соединенная с платиновым листком элемента согнутая цинковая пластинка Z
второго элемента, в сгибе которой стоит плоский глиняный сосуд V
для платины. Слева изображен платиновый листок, соединенный зажимом с цинком элемента и принадлежащий третьему элементу. При этой форме элементов внутреннее сопротивление его очень мало, но сильное действие тока не продолжительно по причине малого количества жидкостей. Ток идет от платины по внешним проводникам к цинку, согласно высказанному выше общему правилу. Элемент Бунзена
(1843), угольно-цинковый, вполне заменяет предыдущий и дешевле его, так как дорогая платина заменена коксовой плиткой. Жидкости те же, что в элементе Грове, электровозбудительная сила и сопротивление приблизительно такие же; направление тока такое же. Подобный элемент изображен на фиг. 3 таблицы; угольная плитка, обозначенная буквой С,
с металлическим зажимом, при котором поставлен знак +; это положительный полюс, или анод, элемента. От цинкового цилиндра Z
с зажимом (отрицательный полюс, или катод) идет пластинка с другим зажимом, накладываемым на угольную плитку второго элемента в случае составления батареи. Грове первый заменил платину в своем элементе углем, но его опыты были забыты. Элемент Дарсонваля,
угольно-цинковый; при угле смесь азотной и соляной кислоты по 1 объему с 2 объемами воды, содержащей 1 / 20 серной кислоты. Элемент Фора.
- Вместо коксовой плитки употребляется бутылка из графита и глины; туда наливается азотная кислота. Это, по-видимому, внешнее изменение элемента Бунзена делает употребление азотной кислоты более полным. Элемент Сосновского.
- Цинк в растворе едкого натра или едкого кали; уголь в жидкости, состоящей из 1 объема азотной кислоты, 1 объема серной, 1 объема соляной, 1 объема воды. Замечателен очень высокой электровозбудительной силой. Элемент Каллана.
- Уголь бунзеновских элементов заменяется железом; возбудительная сила остается та же, что при употреблении угля. Железо не подвергается действию азотной кислоты, находясь в пассивном состоянии. Вместо железа можно с пользой употреблять чугун с некоторым содержанием кремния. Элемент Поггендорфа
отличается от элемента Бунзена заменой азотной кислоты жидкостью, подобной той, которая употребляется в элементе Грене. На 12 весовых частей двухромовокислого кали, растворенных в 100 частях воды, прибавляется 25 частей крепкой серной кислоты. Возбудительная сила такая же, как в элементе Бунзена; но внутреннее сопротивление больше. Кислорода в названной жидкости, отдаваемого на окисление водорода, меньше, чем в азотной кислоте при том же объеме. Отсутствие запаха при пользовании этими элементами в соединении с другими достоинствами сделало его самым удобным к употреблению. Однако поляризация не вполне устранена. Элемент Имшенецкого,
угольно-цинковый. Графитовая (углерод) пластинка в растворе хромовой кислоты, цинк - в растворе серноватистонатриевой соли. Большая возбудительная сила, малое внутреннее сопротивление, почти полная утилизация цинка и весьма хорошее пользование хромовой кислотой. Элемент Лекланше,
угольно-цинковый; вместо окисляющей жидкости содержит при угольной плитке порошок (крупный) перекиси марганца, смешанный с порошком кокса (фиг. 5 табл.) во внутренней, проницаемой для жидкости, глиняной банке; снаружи в одном из углов склянки особенной формы помещается цинковая палочка. Жидкость - водный раствор нашатыря - наливается снаружи и проникает внутрь глиняной банки до угля (кокса), смачивая перекись марганца; верх банки обычно заливается смолой; оставлены отверстия для выхода газов. Возбудительная сила - средняя между даниэлевским и бунзеновским элементами, сопротивление большое. Элемент этот, оставленный замкнутым, дает ток быстро убывающей силы, но для телеграфов и домашнего употребления выстаивает один-два года при подливании жидкости. При разложении нашатыря (NH 4 Cl) хлор выделяется на цинк, образуя хлористый цинк и аммиак при угле. Перекись марганца, богатая кислородом, переходит мало-помалу в соединение низшей степени окисления, но не во всех частях массы, наполняющей глиняный сосуд. Для более полного пользования перекисью марганца и уменьшения внутреннего сопротивления устраивают эти элементы без глиняной банки, а из перекиси марганца и угля спрессовывают плитки, между которыми помещают коксовую, как показано на фиг. 4 таблицы. Этого рода элементы могут быть сделаны закрытыми и удобными к переноске; стекло заменяется роговым каучуком. Видоизменил этот элемент также Гефф, заменяя раствор нашатыря раствором хлористого цинка. Элемент Марие-Деви,
угольно-цинковый, содержит при угле тестообразную массу из сернокислой закиси ртути (Hg 2 SO 4), смоченной водой, помещенную в пористую глиняную банку. К цинку наливается слабая серная кислота или даже вода, так как первая и без того выделится из соли ртути действием тока, при чем водород окисляется, а при угле выделяется металлическая ртуть, так что по истечении некоторого времени элемент становится цинково-ртутным. Электровозбудительная сила не изменяется от употребления чистой ртути вместо угля; она несколько больше, чем в элементе Лекланше, внутреннее сопротивление большое. Пригоден для телеграфов и вообще для прерывистого действия тока. Эти элементы употребляются и для медицинских целей, причем предпочитают заряжать их сернокислой окисью ртути (HgSO 4). Удобная для медицинских и других целей форма этого элемента представляет высокий цилиндр из рогового каучука, верхняя половина которого заключает в себе цинк и уголь, а нижняя - воду и сернокислую ртуть. Если элемент перевернуть верхом вниз, он действует, а в первом положении - не образует тока. Элемент Варрена Деларю
- цинково-серебряный. Узкая серебряная полоска выступает из цилиндрика плавленного хлористого серебра (AgCl), помещенного в трубочке из пергаментной бумаги; цинк имеет форму тонкого стерженька. Оба металла помещаются в стекляной трубке, закупоренной парафиновой пробкой. Жидкость - раствор нашатыря (23 части соли на 1 литр воды). Электровозбудительная сила почти такая же (немного больше), как в элементе Даниэля. Из хлористого серебра осаждается металлическое серебро на серебряную полоску элемента, и поляризация не происходит. Батареи, составленные из них, служили для опытов над прохождением света в разреженных газах (V, Варрен Деларю). Гефф
дал этим элементам устройство, делающее их удобными для переноски; употребляются для медицинских индукционных катушек и для постоянных токов. Элементы Дюшомена, Парца, Фигье.
Первый - цинково-угольный; цинк в слабом растворе поваренной соли, уголь - в растворе хлорного железа. Непостоянен и мало исследован. Парц заменил цинк железом; раствор поваренной соли имеет плотность 1,15, раствор хлорного железа плотности 1,26. Лучше предыдущего, хотя электровозбудительная сила меньше. Фигье употребляет в железно-угольном элеменге одну жидкость, получаемую пропусканием струи хлора через насыщенный раствор железного купороса. Элемент Ниоде,
угольно-цинковый. Цинк имеет форму цилиндра, окружающего пористый глиняный цилиндр, содержащий в себе коксовую плитку, засыпанную хлорной известью. Элемент закупорен пробкой, залитой воском; через отверстие в ней наливается раствор поваренной соли (24 части на 100 частей воды). Электровозбудительная сила большая; при постоянном, несколько продолжительном действии на внешнее малое сопротивление скоро ослабевает, но через час или два бездействия элемента она достигает прежней величины. Сухие элементы.
Это название можно дать элементам, в которых присутствие жидкости неявно, когда она всасывается в пористые тела элемента; скорее следовало бы их назвать влажными.
К таким можно отнести вышеописанный медно-цинковый элемент Труве и элемент Лекланше, измененный Жерменом. В этом последнем употребляется клетчатка, извлекаемая из кокосовых орехов; из неё приготавливается масса, сильно поглощающая жидкость и газы, на вид сухая и только при давлении принимающая влажный вид. Легко переносимы и пригодны для походных телеграфных и телефонных станций. Элементы Гаснера (угольно-цинковые), в состав которых входит гипс, пропитанный, вероятно, хлористым цинком или нашатырем (держится в секрете). Возбудительная сила приблизительно такая, как в элементе Лекланше, спустя некоторое время после начала действия последнего; внутреннее сопротивление меньше, чем у Лекланше. В сухом элементе Лекланше-Барбье промежуток между внешним цинковым цилиндром и внутренним полым цилиндром из аггломерата, в состав которого входит перекись марганца, наполнен гипсом, насыщенным раствором неизвестного состава. Первые, довольно продолжительные испытания этих элементов были благоприятны для них. Желатиново-глицериновый элемент Кузнецова
есть медно-цинковый; состоит из картонного, пропитанного парафином ящичка с дном, выклеенным оловом внутри и снаружи. На олово насыпают слой толченого медного купороса, на который наливают желатино-глицериновую массу, содержащую серную кислоту. Когда эта масса застынет - насыпают слой измельченного амальгамированного цинка, опять заливаемый тою же массой. Из таких элементов составляют батарею наподобие вольтова столба. Предназначается для звонков, телеграфов и телефонов. Вообще же число различных сухих элементов очень значительно; но в болышинстве по причине секретного состава жидкостей и аггломератов суждение о них возможно только практическое, но не научное. Элементы большой поверхности и малого сопротивления.
В тех случаях, когда нужно накаливать короткие, довольно толстые проволоки или пластинки, как, например, при некоторых хирургических операциях (см. Гальванокаустика), употребляют элементы с большими металлическими поверхностями, погруженными в жидкости, что уменьшает внутреннее сопротивление и тем усиливает ток. Волластонов способ удвоения поверхности применяется к составлению поверхностей из большого числа пластинок, как показано на черт. 2, где y, y, y
- пластинки из одного металла помещены в промежутках между пластинками ц, ц, ц, ц
другого металла. Все пластинки параллельны между собой и не соприкасаются, но все одного наименования соединены внешними проволоками в одно целое. Вся эта система равномерна элементу из двух пластинок, каждая шестикратной поверхности сравнительно с изображенными, при толщине слоя жидкости между пластинками, равной расстоянию между каждыми двумя пластинками, изображенному на чертеже. Уже в начале нынешнего столетия (1822) устраивались приборы с большой металлической поверхностью. К числу их относится большой элемент Гаре, названный дефлагратором. Цинковый и медный листы большой длины, отделенные фланелью или деревянными палочками, свертываются в каток, в котором листы не соприкасаются между собой металлически. Этот каток погружается в кадку с жидкостью и дает ток весьма большой силы при действии на очень малые внешние сопротивления. Поверхность каждого листа - около 50 кв. футов (4 кв. метра). В наше время вообще стараются уменьшить внутреннее сопротивление элементов, но дают им особенно большую поверхность для некоторых частных применений, например в хирургии для срезания болезненных наростов раскаленной проволокой или пластинкой, для прижиганий (см. Гальванокаустика). Так как накаливаются проводники малого сопротивления, то можно получить ток именно уменьшением внутреннего сопротивления. Поэтому в гальванокаустических элементах помещают большое число пластинок, расположенных подобно тому, как изображено на черт. 2 текста. Устройство не представляет особенностей, но приспособлено к удобному употреблению; таковы, например, угольно-цинковые элементы или батареи Шардена с хромовой жидкостью, применяемые в Париже, Лионе, Монпелье и Брюсселе. Следует обратить внимание операторов на необходимость употребления измерителя силы тока с весьма малым сопротивлением (амперметра, или амметра), чтобы иметь уверенность в исправности батареи перед операцией. Нормальные элементы
должны сохранять свою электровозбудительную силу или иметь разность потенциалов постоянной в продолжение возможно долгого времени, когда они хранятся разомкнутыми для того, чтобы служить нормальной единицей меры при сравнении электровозбудительных сил между собой. Ренье предложил для этой цели медно-цинковую пару, в которой поверхность меди очень велика сравнительно с цинковой. Жидкость есть раствор 200 частей сухой поваренной соли в 1000 частях воды. При этом условии поляризация меди очень слаба, если этот элемент вводится в цепь с большим сопротивлением и на короткое время. Нормальный элемент Латимера Кларка
состоит из цинка в растворе цинкового купороса, ртути и сернортутной соли (Hg 2 SO 4). Нормальный элемент Флеминга,
медно-цинковый, с растворами медного купороса и цинкового купороса определенной, всегда постоянной плотности. Нормальный элемент лондонского почтово-телеграфного ведомства,
медно-цинковый, с раствором цинкового купороса и кристаллами медного купороса при меди весьма пригоден. Электровозбудительную силу элемента Флеминга см. табличку в конце статьи. Вторичные элементы,
или аккумуляторы,
ведут происхождение от вторичных столбов Риттера (см. Гальванизм), в продолжение 50 лет остававшихся без особенного внимания. Столб Риттера, состоявший из медных пластинок, погруженных в некоторую жидкость, после действия на него вольтова столба становился поляризованным, и после этого сам мог образовать ток, направление которого было противоположно первичному току. В 1859 г. Планте устроил элемент, состоявший из двух свинцовых листов, свернутых спирально наподобие дефлагратора Гаре, без взаимного металлического соприкосновения и погруженных в слабую серную кислоту. Соединив один свинцовый лист с анодом (положительным полюсом), а другой с катодом батареи по меньшей мере из 2 элементов Бунзена или Поггендорфа, соединенных последовательно, и пропуская таким образом ток, идущий в жидкости от свинца к свинцу, вызывают тем отделение кислорода на свинцовой пластинке, соединенной с анодом, и водорода на листе, соединенном с катодом. На анодной пластинке образуется слой свинцовой перекиси, тогда как катодная совершенно очищается от окислов. Вследствие разнородности пластинок они образуют пары с большой электровозбудительной силой, дающей ток, по направлению противоположный прежнему. Большая возбудительная сила, развивающаяся во вторичном элементе и направленная противоположно возбудительной силе первичной батареи, и есть причина требования, чтобы последняя превосходила первую. Два элемента Поггендорфа, соединенные последовательно, имеют возбудительную силу около 4 вольт, а элемент Планте лишь около 2 1 / 2 . Для заряжания 3 или 4 элементов Планте, соединенных параллельно (см. Гальванические батареи), собственно, было бы достаточно прежних 2 элементов Поггендорфа, но действие их было бы очень медленно для окисления такой большой поверхности свинца; поэтому для одновременного заряжения, например, 12 элементов Планте, соединенных параллельно, нужно действие 3-4 элементов Бунзена с возбудительной силой 6-8 вольт в продолжение нескольких часов. Заряженные элементы Планте, соединенные последовательно, развивают электровозбудительную силу в 24 вольта и производят большее, например, накаливание, чем заряжающая батарея, но зато действие вторичной батареи будет кратковременнее. Количество электричества, приведенного в движение вторичной батареей, не более количества прошедшего через нее электричества от первичной батареи, но, будучи пропущено через внешние проводники при большей напряженности или разности потенциалов, издерживается в более короткое время. Элементы Планте после различных практических улучшений получили название аккумуляторов. В 1880 г. Фор придумал покрывать свинцовые пластинки слоем сурика, т. е. готового свинцового окисла, который от действия первичного тока еще более окислялся на одной пластинке и раскислялся на другой. Но способ прикрепления сурика потребовал технических улучшений, существенно заключавшихся в употреблении свинцовой решетки, в которой пустые клетки наполняются тестом из сурика и глета на слабой серной кислоте. В аккумуляторе Фиц-Джеральда употребляются плитки из окислов свинца без всякой меллической основы; вообще систем аккумуляторов имеется очень много и здесь дается изображение лишь одной из лучших (фиг. 8 таблицы). Свинцовая решетка Гагена сложена из двух обращенных друг к другу выступами, что препятствует кускам свинцового окисла выпадать из рамы; особо изображенные разрезы по линиям ab
и cd
главного чертежа объясняют устройство этой рамы. Одна рама заполняется суриком, другая глетом (низшая степень окисления свинца). Нечетное число, обычно пять или семь, пластинок соединяется наподобие того, как объяснено на черт. 2; в первом случае 3, во втором 4 покрыты глетом. Из русских техников принесли пользу устройству аккумуляторов Яблочков и Хотинский. Эти вторичные элементы, представляющие одно техническое неудобство - очень большой вес, получили разнообразные технические применения, между прочим, к домашнему электрическому освещению в тех случаях, когда нельзя пользоваться прямо током динамо-машин для этой цели. Аккумуляторы, заряженные в одном месте, могут быть перевезены в другое. Их заряжают теперь не первичными элементами, а динамо-машинами, с соблюдением некоторых специальных правил (см. Динамо-машины, Электрическое освещение). Составление гальванических батарей.
Батарея составляется из элементов тремя способами: 1) последовательным соединением, 2) параллельным соединением, 3) сложенным из обоих предыдущих. На фиг. 1 таблицы изображено последовательное соединение 3 элементов Даниэля: цинк первой пары, считая справа, соединен медной лентой с медью второй пары, цинк второй пары - с медью третьей. Свободный конец меди первой пары есть анод, или положительный полюс батареи; свободный конец третьей пары есть катод, или отрицательный полюс батареи. Для параллельного соединения этих же элементов надо все цинки соединить между собой металлическими лентами и все медные листы соединить лентами или проволоками в одно отдельное от цинков целое; сложная цинковая поверхность будет катодом, сложная медная - анодом. Действие такой батареи одинаково с действием одного элемента, который имел бы поверхность втрое большую, чем единичный элемент батареи. Наконец, третий способ соединения может быть приложен не менее как к 4 элементам. Соединяя их по двое параллельно, получим два сложных анода и таких же два катода; соединяя первый сложный анод со вторым сложным катодом, получим батарею из двух элементов удвоенной поверхности. На черт. 3 текста изображены два различных сложных соединения из 8 элементов, представленных каждый двумя концентрическими кольцами, разделенными черными промежутками. Не входя в подробности, заметим, что по внешнему виду способ составления этих батарей отличается от только что описанных. В (I) по 4 элемента соединены последовательно, но с одного конца два крайних цинка соединены металлической полоской КК,
а с противоположного две крайние медные пластинки соединены пластинкой АА,
которая и есть анод, тогда как КК
-
катод сложной батареи, равносильной последовательно соединенным 4 элементам удвоенной поверхности. На чертеже 3 (II) изображена батарея, равносильная последовательно соединенным двум элементам учетверенной поверхности. Случаи, когда нужны батареи, определенным образом составленные, совершенно выясняются формулой Ома (гальванический ток) при соблюдении проистекающего из нее правила, что для получения наилучшего действия на какой-нибудь проводник данным числом гальванических элементов надо из них составить батарею таким образом, чтобы внутренее ее сопротивление было равно сопротивлению внешнего проводника или по крайней мере по возможности к нему приближалось. К этому надо еще прибавить, что при последовательном соединении внутреннее сопротивление возрастает пропорционально числу соединенных пар, а при параллельном сопротивление, напротив, уменьшается пропорционально этому числу. Поэтому на телеграфных линиях, представляющих большое сопротивление гальваническому току, батареи состоят из последовательно соединенных элементов; в хирургических операциях (гальванокаустика) нужна батарея из параллельно соединенных элементов. Изображенная на черт. 3 (I) батарея представляет наилучшее соединение из 8 элементов для действия на внешнее сопротивление, которое вдвое больше внутреннего сопротивления единичного элемента. Если бы внешнее сопротивление было вчетверо меньше, чем в первом случае, то батарее надо дать вид черт. 3 (II). Это следует из расчетов по формуле Ома. [Об элементах и батареях см. сочинение Niodet (в русском переводе Д. Голова - "Электрические элементы" 1891); менее подробно: "Die galvanischen Batterien", Hauck, 1883. Статьи в журнале "Электричество", 1891 и 1892 гг.] Сравнение гальванических элементов
между собой. Замечания, сюда относящиеся, были отчасти приведены при описании элементов. Достоинство гальванического элемента измеряется силой тока, им развиваемого, и продолжительностью его действия, а именно произведением первой величины на другую. Если принять за единицу силы тока ампер (см. Гальванический ток), а за единицу времени - час, то можно измерять работоспособность гальванического элемента ампер-часами. Например, аккумуляторы, смотря по размерам, могут дать от 40 до 90 ампер-часов. О способах измерения работы, доставляемой электрическим током, эквивалентной работе так называемой паровой лошади в продолжение одного часа - см. Работа, Энергия электрического тока.
«Арзамасский Государственный Педагогический Институт им А. П. Гайдара»
Курсовая работа
по химии
Тема: Гальванические элементы
Выполнил: студент 5 курса
ЕГФ 52 гр. Б2 подгр. Ширшин Н.В.
Принял: Киндеров А.П.
План
Введение
I. История создания химических источников тока
II. Принцип действия
III. Классификация, устройство и принцип действия химических источников тока
1. Гальванический элемент
2. Электрические аккумуляторы
А) Щелочные аккумуляторы
3. Топливный элемент
А) Принцип действия
Б) Принцип разделения потоков топлива и горючего
В) Пример водородно-кислородного топливного элемента
Г) История исследований в России
Д) Применение топливных элементов
Е) Проблемы топливных элементов
IV. Эксплуатация элементов и батарей
V. Регенерация гальванических элементов и батарей
VI. Особенности некоторых видов гальванических элементов и их краткие характеристики
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Химические источники тока в течении многих лет прочно вошли в нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает внимание на отличия используемых химических источниках тока. Для него это батарейки и аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как карманные фонари, игрушки, радиоприемники или автомобили. В том случае, когда потребляемая мощность относительно велика (10Ач), используются аккумуляторы, в основном кислотные, а также никель - железные и никель - кадмиевые. Они применяются в портативных электронных вычислительных машинах (Laptop, Notebook, Palmtop), носимых средствах связи, аварийном освещении и пр.
В силу ряда обстоятельств химические генераторы электрической энергии являются наиболее перспективными. Их преимущества проявляются через такие параметры, как высокий коэффициент выхода энергии; бесшумность и безвредность; возможность использования в любых условиях, в том числе в космосе и под водой, в стационарных и переносных устройствах, на транспорте и т.д.
В последние годы такие аккумуляторы широко применяются в резервных источниках питания ЭВМ и электромеханических системах, накапливающих энергию для возможных пиковых нагрузок и аварийного питания электроэнергией жизненно – важных систем.
Цели и задачи . В данной работе мне необходимо разобрать принцип действия гальванических элементов, познакомиться с историей их создания, особенностями классификации и устройством различных видов гальванических элементов, а также применением в тех или иных видов химических источников тока в повседневной жизни и различных сферах производства.
I . История создания химических источников тока
Химические источники тока (аббр. ХИТ) - устройства, в которых энергия протекающих в них химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.
История создания
Вольтов столб
Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был элемент Вольта - сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая в последствии была названа Вольтовым столбом. Это изобретение в последствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля». В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах. В 1865 году французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) MnO2 с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств. В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia».
II . Принцип действия
Устройство «багдадских батареек» (200 г. до н. э.).
Основу химических источников тока составляют два электрода (катод, содержащий окислитель и анод, содержащий восстановитель), контактирующих с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов - электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделённых процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.
В современных химических источниках тока используются:
в качестве восстановителя (на аноде) - свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;
в качестве окислителя (на катоде) - оксид свинца(IV) PbO2, гидроксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO2 и другие;
в качестве электролита - растворы щелочей, кислот или солей.
III . Классификация, устройство и принцип действия
По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:
1. Гальванический элемент
Гальванический элемент - химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. ЭДС гальванического элемента зависит от материала электродов и состава электролита. Это первичные ХИТ, которые из-за необратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить.
Гальванические элементы являются источниками электрической энергии одноразового действия. Реагенты (окислитель и восстановитель) входят непосредственно в состав гальванического элемента и расходуются в процессе его работы. Гальванический элемент характеризуется ЭДС, напряжением, мощностью, емкостью и энергией, отдаваемой во внешнюю цепь, а также сохраняемостью и экологической безопасностью.
ЭДС определяется природой протекающих в гальваническом элементе процессов. Напряжение гальванического элемента U всегда меньше его ЭДС в силу поляризации электродов и потерь сопротивления:
U = Eэ – I(r1–r2) – ΔE,
где Еэ – ЭДС элемента; I – сила тока в режиме работы элемента; r1 и r2 – сопротивление проводников I и II рода внутри гальванического элемента; ΔЕ – поляризация гальванического элемента, складывающаяся из поляризаций его электродов (анода и катода). Поляризация возрастает с увеличением плотности тока (i), определяемой по формуле i = I/S, где S – площадь поперечного сечения электрода, и ростом сопротивления системы.
В процессе работы гальванического элемента его ЭДС и, соответственно, напряжение постепенно снижаются в связи с уменьшением концентрации реагентов и увеличением концентрации продуктов окислительно-восстановительных процессов на электродах (вспомним уравнение Нернста). Однако чем медленнее снижается напряжение при разряде гальванического элемента, тем больше возможностей его применения на практике. Емкостью элемента называют общее количество электричества Q, которое гальванический элемент способен отдать в процессе работы (при разрядке). Емкость определяется массой запасенных в гальваническом элементе реагентов и степенью их превращения. При увеличении тока разряда и снижении температуры работы элемента, особенно ниже 00С, степень превращения реагентов и емкость элемента снижаются.
Энергия гальванического элемента равна произведению его емкости на напряжение: ΔН = Q.U. Наибольшей энергией обладают элементы с большим значением ЭДС, малой массой и высокой степенью превращения реагентов.
Сохраняемостью называют продолжительность срока хранения элемента, в течение которого его характеристики остаются в заданных параметрах. С ростом температуры хранения и эксплуатации элемента, его сохраняемость уменьшается.
Состав гальванического элемента : восстановителями (анодами) в портативных гальванических элементах, как правило, служат цинк Zn, литий Li, магний Mg; окислителями (катодами) – оксиды марганца MnO2, меди CuO, серебра Ag2O, серы SO2, а также соли CuCl2, PbCl2, FeS и кислород О2.
Самым массовым в мире остается производство марганец–цинковых элементов Mn–Zn, широко применяемых для питания радиоаппаратуры, аппаратов связи, магнитофонов, карманных фонариков и т.п. Конструкция такого гальванического элемента представлена на рисунке
Токообразующими реакциями в этом элементе являются :
На аноде (–): Zn – 2ē → Zn2+ (на практике происходит постепенное растворение цинковой оболочки корпуса элемента);
На катоде (+): 2MnO2 + 2NH4+ + 2ē → Mn2O3 + 2NH3 + H2O.
В электролитическом пространстве также идут процессы:
У анода Zn2+ + 2NH3 →2+;
У катода Mn2O3 + H2O → или 2.
В молекулярном виде химическую сторону работы гальванического элемента можно представить суммарной реакцией:
Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → Cl2 + 2.
Схема гальванического элемента:
(–) Zn|Zn(NH3)2]2+|||MnO2 (С) (+).
ЭДС такой системы составляет Е= 1,25 ÷ 1,50В.
Для того чтобы составить схему гальванического элемента, необходимо понять принцип его действий, особенности строения.
Потребители редко обращают внимание на аккумуляторы и батарейки, при этом именно эти источники тока являются самыми востребованными.
Химические источники тока
Что собой представляет гальванический элемент? Схема его основывается на электролите. В устройство входит небольшой контейнер, где располагается электролит, адсорбируемый материалом сепаратора. Кроме того, схема двух гальванических элементов предполагает наличие Как называется такой гальванический элемент? Схема, связывающая между собой два металла, предполагает наличие окислительно-восстановительной реакции.
Простейший гальванический элемент
Он подразумевает наличие двух пластин либо стержней, выполненных из разных металлов, которые погружены в раствор сильного электролита. В процессе работы данного гальванического элемента, на аноде осуществляется процесс окисления, связанный с отдачей электронов.
На катоде - восстановление, сопровождающееся принятием отрицательных частиц. Происходит передача электронов по внешней цепи к окислителю от восстановителя.
Пример гальванического элемента
Для того чтобы составить электронные схемы гальванических элементов, необходимо знать величину их стандартного электродного потенциала. Проанализируем вариант медно-цинкового гальванического элемента, функционирующего на основе энергии, выделяющейся при взаимодействии сульфата меди с цинком.
Этот гальванический элемент, схема которого будет приведена ниже, называют элементом Якоби-Даниэля. Он включает в себя которая погружена в раствор медного купороса (медный электрод), а также он состоит из цинковой пластины, находящейся в растворе его сульфата (цинковый электрод). Растворы соприкасаются между собой, но для того, чтобы не допускать их смешивания, в элементе используется перегородка, выполненная из пористого материала.
Принцип действия
Как функционирует гальванический элемент, схема которого имеет вид Zn ½ ZnSO4 ½½ CuSO4 ½ Cu? Во время его работы, когда замкнута электрическая цепь, происходит процесс окисления металлического цинка.
На его поверхности соприкосновения с раствором соли наблюдается превращение атомов в катионы Zn2+. Процесс сопровождается выделением «свободных» электронов, которые передвигаются по внешней цепи.
Реакцию, протекающую на цинковом электроде, можно представить в следующем виде:
Восстановление катионов металла осуществляется на медном электроде. Отрицательные частицы, которые попадают сюда с цинкового электрода, объединяются с катионами меди, осаждая их в виде металла. Данный процесс имеет следующий вид:
Если сложить две реакции, рассмотренные выше, получается суммарное уравнение, описывающее работы цинково-медного гальванического элемента.
В качестве анода выступает цинковый электрод, катодом служит медь. Современные гальванические элементы и аккумуляторы предполагают применение одного раствора электролита, что расширяет сферы их применения, делает их эксплуатацию более комфортной и удобной.
Разновидности гальванических элементов
Самыми распространенными считают угольно-цинковые элементы. В них применяется пассивный угольный коллектор тока, контактирующий с анодом, в качестве которого выступает оксид марганца (4). Электролитом является хлорид аммония, применяемый в пастообразном виде.
Он не растекается, поэтому сам гальванический элемент называют сухим. Его особенностью является возможность «восстанавливаться» на протяжении работы, что позитивно отражается на продолжительности их эксплуатационного периода. Такие гальванические элементы имеют невысокую стоимость, но невысокую мощность. При понижении температуры они снижают свою эффективность, а при ее повышении происходит постепенное высыхание электролита.
Щелочные элементы предполагают использование раствора щелочи, поэтому имеют довольно много областей применения.
В литиевых элементах в качестве анода выступает активный металл, что позитивно отражается на сроке эксплуатации. Литий имеет отрицательный поэтому при небольших габаритах подобные элементы имеют максимальное номинальное напряжение. Среди недостатков подобных систем можно выделить высокую цену. Вскрытие литиевых источников тока является взрывоопасным.
Заключение
Принцип работы любого гальванического элемента основывается на окислительно-восстановительных процессах, протекающих на катоде и аноде. В зависимости от используемого металла, выбранного раствора электролита, меняется срок службы элемента, а также величина номинального напряжения. В настоящее время востребованы литиевые, кадмиевые гальванические элементы, имеющие достаточно продолжительный срок своей службы.
Самодельный гальванический элемент для автономного питания
Элемент Вольта
Для питания и зарядки портативной электроники в тех местах, где нет электросети можно успешно использовать на ряду с другими источниками электроэнергии и простейшие химические источники тока, гальванические элементы.
Их использование возможно на дачах при долгосрочном проживании при отсутствии электросети,а также в отдалённых деревнях где или нет совсем электроэнергии, или постоянные перебои с электроснабжением. В советской России химические источники тока или гальванические элементы получили широкое распространение в радиолюбительской технике в середине прошлого столетия, так как эти источники просты в изготовлении и изготовляются из легкодоступных материалов.
Сейчас, когда портативная электроника стала очень экономична в плане электропотребления, её питание от самодельных химических источников тока может оказаться очень эффективным, так как такие источники тока с успехом применяли ещё на заре развития радиотехники. Тогда техника потребляла в разы больше электроэнергии чем современная аппаратура,а сейчас с развитием энергосберегающей светотехники. Например, светодиодной, на освещение тратится в 4-5 раз меньше электроэнергии, чем от потребления обычной лампочки. Также современные мобильные телефоны, КПК и другие гаджеты потребляют ни чуть не больше, а даже меньше, чем радиоаппаратура прошлых десятилетий.
Внимание!
В статье имеются орфографические и пунктуационные ошибки, т.к. материал взят с сайта http://soliaris2010.narod2.ru, и редактирование текста практически осталось как у оригинала. Не судите строго, пожалуйста...
ПРОСТЕЙШИЙ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, ЭЛЕМЕНТ ВОЛЬТА
Вольтов столб Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был элемент Вольта — сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа Вольтовым столбом. Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги.
В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля».В 1859 году французский физик Гастон Планте изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.В 1865 году французский химик Ж.Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца (IV) MnO2 с угольным токоотводом.
Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia». Самый долгоживущий гальванический элемент - серно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 г. Подключенный к ней звонок работает и по сей день.
Простейший медно-цинковый элемент состоит из двух электродов-пластин, погруженных в раствор электролита, при погружении в электролит между металлами возникает разница потенциалов. При погружении в раствор повареной соли медной пластины и цинковой возникает разница потенциалов примерно в 1 вольт, и один элемент независимо от размеров имеет напряжение в один вольт, а мощность такого элемента зависит от его размеров и площади пластин погруженных в электролит. Для получения более высокого напряжение эти элементы, как и зоводские батарейки соеденяют последовательно для получения нужного напряжения.
ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕДНОЦИНКОВОГО ЭЛЕМЕНТА
Медно-цинковые источники тока. Производство этих химических источников тока началось еще в 1889 г. В настоящее время они выпускаются в небольших масштабах в виде элементов емкостью от 250 до 1000 А·ч. Гладкие цинковые пластины и пластины из смеси оксида меди, меди и связующего помещают в стеклянный или металлический сосуд с 20%-ным раствором NaОН. Элементы имеют напряжение 0,6-0,7 В и удельную энергию 25-30 Вт·ч/кг. К их достоинствам относится постоянство разрядного напряжения, очень малый саморазряд, безотказность в работе и невысокая цена. Применялись в системах сигнализации и связи на железных дорогах.
В реальных условиях энергоёмкость может сильно отличатся и зависит она от площади пластит, чистоты металлов и плотности электролита.Элемент собранный в литровой банке,с пластинами максимальной площади, двадцати процентным раствором соли в виде электролита, выдаёт напряжение от 0,6-1,1 вольта,10-20а/ч,но в таких элементах очень маленький разрядный ток маленький,и ток замыкания может быть около 100-150мА/ч.,а чем меньше подсоединенный источник потребляет, тем больше медно-цинковый элемент может вырабатывать электроэнергии. Элемент собранный в литровой банке при токе разряда 50 мА/ч проработает от 200часов до 400часов и более и более,но со временем пластины окисляются и напряжение падает и в итоге элемент перестаёт работать. Для восстановления элемента надо заменить электролит и очистить пластины от окисления и элемент снова будет работать.
Процесс окисления зависит от разрядного тока чем он выше,тем быстрее элемент выйдет из строя,но в среднем элемент в литровой банке до чистки и перезарядки,при разрядном токе 50 мА/ч проработает около 3-4 месяца,а при разрядном токе в 2-5 мА/ч его хватит на год и более.Простого литрового элемента не хватит для питания даже простого миниатюрного радиоприемника,и для того чтобы получить нужные характеристики нужно собрать блок из нескольких элементов.
Сейчас в основном вся портативная электроника питается напряжением в 3,6-4,5 вольта,и для того чтобы получить такие числа нужно соединить последовательно 4-5 таких элементов,если соединить 5 литровых элементов,то получится примерно 3,5-4,8 вольта, и ёмкость возрастает до 40-50 А/ч,а ток разряда может достигать 400-600 мА/ч,следовательно такой источник легко справится с питанием маленького радиоприёмника или светодиодного фонарика, а также с зарядкой миниатюрных аккумуляторов телефонов в течении 10-30 часов. Но для питания мощных светодиодных фонарей и питания современных телефонов и КПК такого источники будет маловато.
ДЛЯ СТАБИЛЬНОГО ДОЛГОСРОЧНОГО АВТОНОМНОГО ПИТАНИЯ ПОРТАТИВНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
понадобится что-то побольше, например, элемент ёмкостью как на рисунке, объем 40-50 литров,для стабильного питания портативных комнатных светодиодных светильников и другой техники. Для изготовления такого химического источника электроэнергии на понадобятся: 5 медных пластин размерами 20х40, и 5 таких же цинковых, далее на каждую пластинку нужно припаять или запрессовать путём загибания уголка пластины вставить проводок и заплющить молотком.
После надо пластины через электронопроводящие прокладки (деревянный брусочек или пластмассовая трубка) закрепить между собой, потом опускаем их в ёмкости с электролитом, это или раствор поваренной соли или раствор нашатыря или раствор серной кислоты (авто электролит), после соединяем получившиеся батарейки последовательно, то есть медная пластина одного элемента через проводок соединяется с цинковой пластиной другого элемента. В итоге, с одной стороны получившегося блока остаётся пластина медная с проводком (+), а с другой цинковая (-). Чем больше площадь пластин и чем лучше электролит, тем выше эффективность такого источника тока.
САМОДЕЛЬНЫЙ МЕДНО-КУПОРОСНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
В этой самодельной конструкции из-за недоступности чистого цинка,применён алюминиевый электрод,но э.д.с. алюминия ниже чем у цинка,составляет 0,5 В, то есть одна банка даёт всего 0,5 вольт, из-за этого прибор состоит не из 4-х банок для напражения в 3,5-4 вольты,а из 6-ти,чтобы получить как минимум 3,6 вольт.
При испытании данного прибора не было никаких измерительных приборов, но как видно из фото,прибор свободно обеспечивает свечение 12-ти светодиодов-ток потребления150-200мА, и заряжает мобильный телефон-ток потребления около 400мА.
При испытании элемент зарядил батарею телефона ёмкостью 750мА за 2,40 минут.
Примерные технические характеристики батареи элементов, состоящей из 6-ти банок, емкостью 0,33л.: 3,7 Вольт, ток замыкания около 500мА, ёмкость 25-30А/ч.
В ходе испытания батарея элементов стабильно проработала на одной столовой ложке купороса около 100 часов при токе разряда примерно 200мА/ч,сейчас прибор так-же работает, но сила тока значительно меньше и составляет около 80мА/ч,купарос практически истрачен,таким образом если посчитать,то можно определить,сколько времени вообще элементы проработают на определённом количестве купороса, питая определенные приборы.
ПОРЯДОК ИЗГОТОВЛЕНИЯ
В ЭТОЙ КОНСТРУКЦИИ В КАЧЕСТВЕ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОДА ИСПОЛЬЗОВАЛИСЬ АЛЮМИНИЕВЫЕ БАНКИ (ПИВНЫЕ) И ДРУГИЕ ИЗДЕЛИЯ ИЗ АЛЮМИНИЯ.
ЕСЛИ БУДУТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ АЛЮМИНИЕВЫЕ БАНКИ, ТО ИХ НУЖНО ТЩАТЕЛЬНО ЗАЧИСТИТЬ ОТ ЗАЩИТНОГО ВНУТРЕННЕГО СЛОЯ И ВНЕШНИХ НАДПИСЕЙ, ТАК КАК ОНИ НЕ ПРОПУСКАЮТ ТОК.
Сначала внутренняя поверхность банки обмазывается вазелином или салом на расстоянии 3-4 сантиметра от верхнего края банки,это делается для того чтобы предупредить выползание кристаллов солей из сосуда элемента.
Далее в цилиндре надо с одной стороны сделать двойные прорези на глубину 4-5 мм., и получившиеся скобки загнуть наружу,для того что-бы цилиндр висел на них, на горлышке банки, не доходя до дна банки на 5 см.,после изготовления припаять к нему медный провод,это и будет (+).
Далее изготавливается диафрагма,диафрагма изготавливается из картона,делается цилиндр из картона по длине банки,или короче банки на 5 см.,а потом к нему пришивается нитками картонное дно,так что-бы не оставалось щелей,а места сшивки пропитываются горячим парафином чтобы герметизировать дно от вытекания жидкости.
Далее на цилиндр плотно наматывают несколько слоёв пергамента или газетной бумаги,предварительно вымоченного в солёном растворе,чтобы не оставалось воздушных прослоек,а после получившейся "стакан" плотно обшивается обёрнутой в несколько слоёв тканью,для механической прочности.
Потом на верх диафрагмы наклеивают или пришивают кольцо,чтобы стакан не проваливался,и места крепления обмазывают горячим парафином,в кольце делают отверстие, через которое в банку наливается вода и вставляется мешалка для помешивания купороса.
Потом в диафрагму надо налить раствор поваренной соли и оставить на несколько часов,правильно собранная диафрагма не должна подтекать,а её поверхность должна быть всего-лишь влажной.далее по внутреннему диаметру диафрагмы изготавливается из листа цинка цилиндр к нему припаивается медный провод который будет служить (-),цинковый цилиндр должен свободно входить в диафрагму,но при этом быть как можно ближе к её стенкам,то есть ближе к медному цилиндру,чтобы уменьшить внутренне сопротивление,и соответственно повысить эффективность.
СБОРКА ЭЛЕМЕНТА.
В чистую банку,если 0,5л.,насыпают столовую ложку медного купороса,вставляют мешалку,а потом устанавливают диафрагму,наполненную раствором поваренной соли,после в то отверстие,которое для мешалки,в банку наливается вода,а за тем вставляется в диафрагму цинковый цилиндр,после сборки элемент полностью готов к работе,остаётся соединить элементы последовательно,как обычные батарейки,и питать и заряжать приборы.
Применение пористой диафрагмы обусловлено разделением электролитов, тоесть разделением кристаллов купороса,и соляного раствора от смешивания,иначе купорос бурно вступает в реакцию и слишком быстро расходуется, даже когда элемент не используется,а через диафрагму расход купороса равномерен и экономичен,что обеспечивает долгую работу источника тока-гальванического элемента..
Удод за элементом заключается в периодической заправке купороса, смене электролита и очистке от окисления электродов. При потреблении тока около 600мА(сотовый телефон), батарея состоящая из 4-х пол-литровых элементов элементов проработает на одной заправке купороса(4 стол.л.) около месяца,при условии использования его каждый день около 6 часов. .При падении мощности периодически мешалкой надо взбалтывать медный купорос.За время работы в течении месяца израсходуется около 100г.купороса, и 40г. цинка.
Примечание. Если заменить цинк на алюминий,то элементов надо не 4 или 5, а 6 или 7 ,соединенных последовательно,так как э.д.с. алюминия ниже чем у цинка,и состовляет 0,4-0,6 V.
