Різні види гальванічних елементів перетворюють свою хімічну енергію в електричний струм. Свою назву вони отримали на честь італійського вченого Гальвані, який проводив перші подібні експерименти і дослідження. Електрика виробляється завдяки хімічній взаємодії двох металів (зазвичай цинку і міді) в електроліті.
Принцип дії
Вчені поміщали в ємності з кислотою мідну і цинкову пластинку. Їх з'єднували провідником, на першій утворювалися бульбашки газу, друга починала розчинятися. Це доводило те, що по провіднику протікає електричний струм. Після Гальвані дослідами зайнявся Вольт. Він створив елемент циліндричної форми, схожий на вертикальний стовпець. У його складі були цинкові, мідні і суконні кільця, попередньо просочені кислотою. Перший елемент мав висоту в 50 см, і вироблене ним напруга відчувалося людиною.
Принцип роботи полягає в тому, що два види металу в електролітичної середовищі вступають у взаємодію, в результаті якого по зовнішньому ланцюзі починає проходити струм. Сучасні гальванічні елементи та акумулятори називають батарейками. Їх напруга залежить від використовуваного металу. Пристрій поміщено в циліндр з м'якої жерсті. Як електроди виступають сітки з окислювальним і відновлювальних напиленням.
Перетворення хімічної енергії в електрику виключає можливість відновлення властивостей батарейок. Адже при роботі елемента реагенти витрачаються, через що зменшується струм. Відновлювачем зазвичай служить негативний висновок з літію або цинку. Під час функціонування він втрачає електрони. Позитивну частину виготовляють з металевих солей або оксиду магнію, вона виконує роботу окислювача.
У звичайних умовах електроліт не пропускає струм, він розпадається на іони тільки під час замикання ланцюга. Саме це зумовлює появу провідності. В якості електроліту використовують розчин кислоти, натрієві або калієві солі.
різновиди елементів
Батарейки використовують для живлення приладів, пристроїв, техніки, іграшок. Всі гальванічні елементи за схемою ділять на кілька видів:
- сольові;
- лужні;
- літієві.
Найбільш популярні - сольові батарейки, виготовлені з цинку і марганцю. Елемент поєднує в собі надійність, якість і прийнятну ціну. Але останнім часом виробники знижують або повністю припиняють їх виготовлення, так як з боку фірм, що випускають побутову техніку, до них поступово підвищують вимоги. Основні переваги гальванічних батарей цього типу:
- універсальні параметри, що дозволяють використовувати їх в різних областях;
- легка експлуатація;
- невисока вартість;
- прості умови виробництва;
- доступне і недороге сировину.
Серед недоліків виділяють недовгий термін служби (не більше двох років), зменшення властивостей через низьких температур, зменшення ємності при підвищенні струму і зниження напруги під час роботи. Коли сольові батарейки розряджаються, вони можуть потекти, так як позитивний обсяг електрода виштовхує електроліт. Провідність підвищують графіт і сажа, активна суміш складається з діоксиду марганцю. Термін експлуатації безпосередньо залежить від обсягу електроліту.
У минулому столітті з'явилися перші лужні елементи. Роль окислювача в них грає марганець, а відновника - цинковий порошок. Корпус батарейки амальгамируют щоб уникнути появи корозії. Але використання ртуті заборонили, тому їх покривали сумішами з цинкового порошку з інгібіторами іржі.
Активна речовина в пристрої гальванічного елемента - це цинк, індій, свинець і алюміній. В активну масу входять сажа, марганець і графіт. Електроліт виготовляють з калію і натрію. Сухий порошок значно підвищує функціонування батарейки. При таких же габаритах, як у сольових видів, лужні мають велику ємність. Вони продовжують добре працювати навіть при сильному морозі.
Літієві елементи використовують для харчування сучасної техніки. Їх випускають у вигляді батарейок і акумуляторів різних розмірів. У складі перших знаходиться твердий електроліт, в інших пристроях - рідкий. Такий варіант підходить для приладів, які потребують стабільного напруги і середніх зарядів струму. Літієві акумулятори можна заряджати кілька разів, Батарейки використовують тільки один раз, їх не розкривають.
Сфера застосування
До виробництва гальванічних елементів висувають ряд вимог. Корпус батарейок повинен бути надійним і герметичним. Електроліт не повинен витікати, а також не можна допускати попадання всередину пристрою сторонніх речовин. У деяких випадках при витіканні рідини вона загоряється. Пошкоджений елемент можна використовувати. Габарити у всіх батарейок практично однакові, відрізняються тільки розміри акумуляторів. Елементи можуть мати різну форму: циліндричну, призматичну або дискову.
У всіх типів пристроїв є загальні гідності: вони компактні і мають незначну вагу, пристосовані до різних діапазонах робочої температури, володіють великою ємністю і стабільно працюють в різних умовах. Є також і деякі недоліки, але вони стосуються певних типів елементів. Сольові служать недовго, літієві влаштовані так, що можуть займатися при розгерметизації.
Сфери застосування батарейок численні:
- цифрова техніка;
- дитячі іграшки;
- медичні прилади;
- оборонна та авіаційна промисловість;
- космічне виробництво.
Гальванічні елементи легко використовувати, вони доступні за вартістю. Але з деякими видами потрібно звертатися акуратно і не використовувати їх у разі пошкодження. Перед придбанням батарейок потрібно уважно вивчити інструкцію приладу, який вони будуть живити.
Гальванічний елемент - це хімічне джерело електричного струму, в якому відбувається безпосереднє перетворення хімічної енергії в електричну. Тому він є. Зовнішній вигляд найбільш поширених елементів живлення наведено на малюнку 1.
Малюнок 1. Зовнішній вигляд пальчикових гальванічних елементів
Існують сольові (сухі), лужні та літієві елементи. Гальванічні елементи часто називають батарейками, проте ця назва невірно, тому що батареєю є з'єднання кількох однакових пристроїв. Наприклад, при послідовному з'єднанні трьох гальванічних елементів утворюється широко використовувана 4,5 вольта батарейка.
Принцип дії гальванічного елемента заснований на взаємодії двох металів через електроліт, що приводить до виникнення в замкнутому ланцюзі електричного струму. Напруга залежить від використаних металів. Деякі з цих хімічних джерел струму наведені в таблиці 1.
| Тип джерел струму | катод | електроліт | анод | напруга, В |
|---|---|---|---|---|
| Марганцево-цинковий | MnO 2 | KOH | Zn | 1,56 |
| Марганцево-олов'яний | MnO 2 | KOH | Sn | 1,65 |
| Марганцево-магнієвий | MnO 2 | MgBr 2 | Mg | 2,00 |
| Свинцево-цинковий | PbO 2 | H 2 SO 4 | Zn | 2,55 |
| Свинцево-кадмієвий | PbO 2 | H 2 SO 4 | Cd | 2,42 |
| Свинцево-хлорний | PbO 2 | HClO 4 | Pb | 1,92 |
| Ртутно-цинковий | HgO | KOH | Zn | 1,36 |
| Ртутно-кадмієвий | HgO 2 | KOH | Cd | 1,92 |
| Окисно-ртутно-олов'яний | HgO 2 | KOH | Sn | 1,30 |
| Хром-цинковий | K 2 Cr 2 O 7 | H 2 SO 4 | Zn | 1,8-1,9 |
У продажу в основному представлені марганцево-цинкові елементи, які називають сольовими. Виробники батарейок зазвичай не вказують їх хімічний склад. Це найдешевші гальванічні елементи, які можна застосовувати тільки в пристроях з низьким споживанням, таких як годинник, електронні термометри або пульти дистанційного керування. На малюнку 2 приведені зовнішній вигляд і внутрішній устрій сольового елемента живлення.
Малюнок 2. Зовнішній вигляд і пристрій "сухого" гальванічного елемента
Не менш поширеним елементом харчування є лужні марганцеві батарейки. У продажу їх називають алкалінових, не обтяжуючи себе перекладом назви на російську мову. Внутрішній устрій Алкалинова гальванічного елемента показано на малюнку 2.
Малюнок 3. Внутрішнє і пристрій лужного гальванічного елемента
Ці хімічні джерела струму мають більшу місткість (2 ... 3 A / ч) і вони можуть забезпечувати більший струм протягом тривалого времені.Большій ток став можливим, тому що цинк використовується не у вигляді склянки, а в вигляді порошку, що володіє більшою площею зіткнення з електролітом. В якості електроліту застосовується гідроксид калію. Саме завдяки здатності даного виду гальванічних елементів протягом тривалого часу віддавати значний струм (до 1 A), найбільш поширений в даний час.
Ще одним досить поширеним видом гальванічних елементів є літієві барарейкі. Завдяки використанню лужного металу вони мають високу різницею потенціалів. Напруга літієвих елементів дорівнює 3 В. Однак на ринку представлені і 1,5 У літієві батарейки. Ці елементи живлення володіють найвищою ємністю на одиницю маси і тривалим часом зберігання. Застосовуються в основному для харчування годин на материнських платах комп'ютерів і фототехніку. Як недолік можна назвати високу вартість. Зовнішній вигляд літієвих батарей наведено на малюнку 4.
Малюнок 4. Зовнішній вигляд літієвих елементів живлення
Слід зазначити, що практично всі гальванічні елементи здатні заряджатися від мережевих джерел живлення. виняток становлять літієві батарейки, які при спробі підзарядки можуть вибухнути.
Для застосування в різних пристроях батарейки були стандартизовані. Найбільш поширені види корпусів гальванічних елементів наведені в таблиці 2.
Для кріплення батарейок всередині корпусу радіоелектронних пристроїв в даний час пропонуються готові батарейні відсіки. Застосування їх дозволяє значно спростити розробку корпусу радіоелектронного пристрою і здешевити його виробництво. Зовнішній вигляд деяких з них наведено на малюнку 5.
Малюнок 5. Зовнішній вигляд відсіків для кріплення гальванічних елементів живлення
Перше питання, яке хвилює покупців батарейок - це час їх роботи. Воно залежить від технології виробництва гальванічного елемента. Графік типовий залежності вихідної напруги від технології виробництва елемента живлення наведено на малюнку 5.
Малюнок 6. Графік часу роботи елемента живлення в залежності від технології виробництва при струмі розряду 1 А
Результати тестів батарейок різних фірм, проведені на сайті http://www.batteryshowdown.com/ наведені на малюнку 7.
Малюнок 7. Графік часу роботи батарей різних фірм при струмі розряду 1 А
І, нарешті, давайте зробимо висновки де який тип батарейок має сенс застосовувати, так як при придбанні батарейок ми завжди намагаємося отримати максимум корисного ефекту при мінімумі витрат.
- Не варто купувати батарейки в кіосках або на ринку. Зазвичай вони там досить довго лежать і тому за рахунок саморозряду практично втрачають свою ємність. Це може бути навіть небезпечно для апаратури, тому що при використанні дешевих гальванічних елементів (батарейок) з них може протекти електроліт. Це призведе до виходу апаратури з ладу! Купувати краще в магазинах з хорошим оборотом товару.
- лужні (алкалінові) батарейки слід застосовувати в пристроях, які споживають досить великий струм, таких як ліхтарики, плеєри або фотоапарати. У малопотребляющіх пристроях їх термін роботи не відрізняється від сольових батарейок.
- Сольові ( «звичайні», вугільно-цинкові гальванічні елементи), будуть відмінно працювати в годинах, ІК пультах і інших пристроях, розрахованих на роботу від одного комплекту батарей протягом року і більше. При цьому вони не можуть працювати на морозі.
- Самі економічно вигідні батарейки на сьогодні - пальчикові АА. Як мізинчикові (АAА), так і великі (R20), при одній і тій же ємності коштують дорожче. Ємність сучасних батарейок R20 майже така ж як і пальчикових батарейок АА, і це при в три рази більших розмірах!
- Не варто звертати увагу на розкручені бренди. Гальванічні елементи фірм Duracell і Energizer стоять в півтора-два рази дорожче батарейок інших фірм і при цьому працюють приблизно стільки ж
«Арзамаський Державний Педагогічний Інститут ім А. П. Гайдара»
Курсова робота
з хімії
Тема: Послуги в області гальванічних елементи
Виконав: студент 5 курсу
ЄГФ 52 гр. Б2 подгрев. Шіршін Н.В.
Прийняв: Кіндер А.П.
план
Вступ
I. Історія створення хімічних джерел струму
II. Принцип дії
III. Класифікація, будова та принцип дії хімічних джерел струму
1. Гальванічнийелемент
2. Електричні акумулятори
А) Лужні акумулятори
3. Паливний елемент
А) Принцип дії
Б) Принцип поділу потоків палива і пального
В) Приклад воднево-кисневого паливного елемента
Г) Історія досліджень в Росії
Д) Застосування паливних елементів
Е) Проблеми паливних елементів
IV. Експлуатація елементів і батарей
V. Регенерація гальванічних елементів і батарей
VI. Особливості деяких видів гальванічних елементів і їх короткі характеристики
висновок
Список використаної літератури
Вступ
Хімічні джерела струму на протязі багатьох років міцно увійшли в наше життя. У побуті споживач рідко звертає увагу на відмінності використовуваних хімічні джерела струму. Для нього це батарейки та акумулятори. Зазвичай вони використовуються в пристроях таких, як кишенькові ліхтарі, іграшки, радіоприймачі або автомобілі. У тому випадку, коли споживана потужність щодо велика (10Ач), використовуються акумулятори, в основному кислотні, а також нікель - залізні і нікель - кадмієві. Вони застосовуються в портативних електронних обчислювальних машинах (Laptop, Notebook, Palmtop), носяться засобах зв'язку, аварійному освітленні і ін.
В силу ряду обставин хімічні генератори електричної енергії є найбільш перспективними. Їх переваги проявляються через такі параметри, як високий коефіцієнт виходу енергії; безшумність і нешкідливість; можливість використання в будь-яких умовах, в тому числі в космосі і під водою, в стаціонарних і переносних пристроях, на транспорті і т.д.
В останні роки такі акумулятори широко застосовують у резервних джерелах живлення ЕОМ і електромеханічних системах, що накопичують енергію для можливих пікових навантажень і аварійного живлення електроенергією життєво - важливих систем.
Цілі і завдання. У даній роботі мені необхідно розібрати принцип дії гальванічних елементів, познайомитися з історією їх створення, особливостями класифікації і пристроєм різних видів гальванічних елементів, а також застосуванням в тих чи інших видів хімічних джерел струму в повсякденному житті і різних сферах виробництва.
I. Історія створення хімічних джерел струму
Хімічні джерела струму (Аббр. ХДС) - пристрої, в яких енергія протікають в них хімічних реакцій безпосередньо перетворюється в електричну енергію.
Історія створення
вольтів стовп
Перший хімічний джерело струму був винайдений італійським вченим Алессандро Вольта в 1800 році. Це був елемент Вольта - посудину з солоною водою з опущеними в нього цинкової і мідної пластинками, сполученими дротом. Потім учений зібрав батарею з цих елементів, яка надалі була названа вольтова стовпа. Цей винахід надалі використовували інші вчені в своїх дослідженнях. Так, наприклад, в 1802 році російський академік В. В. Петров сконструював Вольтов стовп з 2100 елементів для отримання електричної дуги. У 1836 році англійський хімік Джон Деніел удосконалив елемент Вольта, помістивши цинковий і мідний електроди в розчин сірчаної кислоти. Ця конструкція стала називатися «елементом Даніеля». У 1859 році французький фізик Гастон Планте винайшов свинцево-кислотний акумулятор. Цей тип елемента і до цього дня використовується в автомобільних акумуляторах. У 1865 році французький хімік Ж. Лекланше запропонував свій гальванічний елемент (елемент Лекланше), що складався з цинкового стаканчика, заповненого водним розчином хлористого амонію або іншої хлористої солі, в який був поміщений агломерат з оксиду марганцю (IV) MnO2 з вугільним токоотводом. Модифікація цієї конструкції використовується до сих пір в сольових батарейках для різних побутових пристроїв. У 1890 році в Нью-Йорку Конрад Губерт, іммігрант з Росії, створює перший кишеньковий електричний ліхтарик. А вже в 1896 році компанія National Carbon починає масове виробництво перших в світі сухих елементів Лекланше «Columbia».
II. Принцип дії
Пристрій «багдадських батарейок» (200 р. До н.е..).
Основу хімічних джерел струму складають два електроди (катод, що містить окислювач і анод, що містить відновник), що контактують з електролітом. Між електродами встановлюється різниця потенціалів - електрорушійна сила, відповідна вільної енергії окислювально-відновної реакції. Дія хімічних джерел струму грунтується на протікання при замкнутої зовнішньої ланцюга просторово розділених процесів: на катоді відновник окислюється, що утворюються вільні електрони переходять, створюючи розрядний струм, по зовнішньому ланцюзі до анода, де вони беруть участь в реакції відновлення окислювача.
В сучасних хімічних джерелах струму використовуються:
в якості відновника (на аноді) - свинець Pb, кадмій Cd, цинк Zn і інші метали;
як окислювач (на катоді) - оксид свинцю (IV) PbO2, гідроксид нікелю NiOOH, оксид марганцю (IV) MnO2 і інші;
в якості електроліту - розчини лугів, кислот або солей.
III. Класифікація, будова та принцип дії
По можливості або неможливості повторного використання хімічні джерела струму діляться на:
1. Гальванічнийелемент
гальванічний елемент - хімічне джерело електричного струму, названий на честь Луїджі Гальвані. Принцип дії гальванічного елемента заснований на взаємодії двох металів через електроліт, що приводить до виникнення в замкнутому ланцюзі електричного струму. ЕРС гальванічного елемента залежить від матеріалу електродів і складу електроліту. Це первинні ХІТ, які через незворотності що протікають в них реакцій, неможливо перезарядити.
Гальванічні елементи є джерелами електричної енергії одноразової дії. Реагенти (окислювач і відновник) входять безпосередньо до складу гальванічного елемента і витрачаються в процесі його роботи. Гальванічний елемент характеризується ЕРС, напругою, потужністю, ємністю і енергією, що віддається в зовнішній ланцюг, а також сохраняемостью і екологічною безпекою.
ЕРС визначається природою протікають в гальванічному елементі процесів. Напруга гальванічного елемента U завжди менше його ЕРС в силу поляризації електродів і втрат опору:
U \u003d Eе - I (r1-r2) - ΔE,
де Ее - ЕРС елемента; I - сила струму в режимі роботи елемента; r1 і r2 - опір провідників I і II роду всередині гальванічного елемента; ДЕ - поляризація гальванічного елемента, що складається з поляризаций його електродів (анода і катода). Поляризація зростає зі збільшенням щільності струму (i), яка визначається за формулою i \u003d I / S, де S - площа поперечного перерізу електрода, і зростанням опору системи.
В процесі роботи гальванічного елемента його ЕРС і, відповідно, напруга поступово знижуються в зв'язку зі зменшенням концентрації реагентів і збільшенням концентрації продуктів окисно-відновних процесів на електродах (згадаємо рівняння Нернста). Однак чим повільніше знижується напруга при розряді гальванічного елемента, тим більше можливостей його застосування на практиці. Ємністю елемента називають загальна кількість електрики Q, яке гальванічний елемент здатний віддати в процесі роботи (при розрядці). Ємність визначається масою запасених в гальванічному елементі реагентів і ступенем їх перетворення. При збільшенні струму розряду і зниженні температури роботи елемента, особливо нижче 00С, ступінь перетворення реагентів і ємність елемента знижуються.
Енергія гальванічного елемента дорівнює добутку його ємності на напругу:? Н \u003d Q.U. Найбільшою енергією володіють елементи з великим значенням ЕРС, малою масою і високим ступенем перетворення реагентів.
Сохраняемостью називають тривалість терміну зберігання елемента, протягом якого його характеристики залишаються в заданих параметрах. З ростом температури зберігання і експлуатації елемента, його збереженість зменшується.
Склад гальванічного елемента: Восстановителями (анодами) в портативних гальванічних елементах, як правило, служать цинк Zn, літій Li, магній Mg; окислювачами (катодами) - оксиди марганцю MnO2, міді CuO, срібла Ag2O, сірки SO2, а також солі CuCl2, PbCl2, FeS і кисень О2.
Наймасовішим у світі залишається виробництво марганець-цинкових елементів Mn-Zn, широко застосовуваних для живлення радіоапаратури, апаратів зв'язку, магнітофонів, кишенькових ліхтариків і т.п. Конструкція такого гальванічного елемента представлена \u200b\u200bна малюнку
Токообразующімі реакціями в цьому елементі є:
на аноді (-): Zn - 2ē → Zn2 + (на практиці відбувається поступове розчинення цинкової оболонки корпусу елемента);
на катоді (+): 2MnO2 + 2NH4 + + 2ē → Mn2O3 + 2NH3 + H2O.
У електролітичному просторі також йдуть процеси:
У анода Zn2 + + 2NH3 → 2 +;
У катода Mn2O3 + H2O → або 2.
В молекулярному вигляді хімічну сторону роботи гальванічного елемента можна представити сумарною реакцією:
Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → Cl2 + 2.
Схема гальванічного елемента:
(-) Zn | Zn (NH3) 2] 2+ ||| MnO2 (С) (+).
ЕРС такої системи становить Е \u003d 1,25 ÷ 1,50В.
Гальванічний елемент - це джерело електричної енергії, принцип дії заснований на хімічних реакціях. Більшість сучасних батарейок і акумуляторів підпадає під визначення і відноситься до даної категорії. Фізично гальванічний елемент складається з провідних електродів, занурених у одну або дві рідини (електроліти).
Загальна інформація
Гальванічні елементи діляться на первинні і вторинні відповідно зі здатністю виробляти електричний струм. Обидва види вважаються джерелами і служать для різних цілей. Перші виробляють струм в ході хімічної реакції, другі функціонують виключно після зарядки. Нижче обговоримо обидві різновиди. За кількістю рідин розрізняють дві групи гальванічних елементів:
Мінливість джерел живлення з єдиною рідиною зауважив Ом, відкривши неприйнятність гальванічного елемента Волластона для експериментів по дослідженню електрики. Динаміка процесу така, що в початковий момент часу струм великий і спочатку росте, потім за кілька годин падає до середнього значення. Сучасні акумулятори примхливі.
Історія відкриття хімічного електрики
Мало відомий факт, що в 1752 році гальванічне електрику згадувалося Йоганном Георгом. Видання Дослідження походження приємних і неприємних відчуттів, випущене Берлінської академією наук, навіть надавало явищу цілком правильне тлумачення. Досвід: срібну і свинцеву пластини з'єднували з одного кінця, а протилежні з різних сторін прикладалися до мови. На рецепторах спостерігається смак залізного купоросу. Читачі вже здогадалися, описаний спосіб перевірки батарейок часто використовували в СРСР.
Пояснення явища: мабуть, є якісь частинки металу, дратівливі рецептори язика. Частки випускаються однією пластиною при зіткненні. Причому один метал при цьому розчиняється. Власне, в наявності принцип дії гальванічного елемента, де цинкова пластина поступово зникає, віддаючи енергію хімічних зв'язків електричного струму. Пояснення зроблено за півстоліття до офіційної доповіді Королівському товариству Лондона Алессандро Вольта про відкриття першого джерела живлення. Але, як відбувається часто з відкриттями, наприклад, електромагнітним взаємодією, досвід залишився непоміченим широкою науковою громадськістю і не досліджений належним чином.
Додамо, це виявилося пов'язано з недавнім скасуванням переслідування за чаклунство: деякі вирішувалися після сумного досвіду «відьом» на вивчення незрозумілих явищ. Інакше йшла справа з Луїджі Гальвані, з 1775 року працює на кафедрі анатомії в Болоньї. Його спеціалізацій вважалися подразники нервової системи, але світило залишив значний слід не в області фізіології. Учень Беккарі активно займався електрикою. У другій половині 1780 року, як випливає зі спогадів вченого (1791 De Viribus Electricitatis in Motu Muscylary: Commentarii Bononiensi, том 7, стор. 363), в черговий раз проводилося препарування жаби (досліди і потім тривали довгі роки).
Примітно, що незвичайне явище помічено асистентом, в точності, як з відхиленням стрілки компаса проводом з електричним струмом: відкриття зробили лише побічно пов'язані з науковими дослідженнями люди. Спостереження стосувалося посмикувань нижніх кінцівок жаби. Під час експерименту асистент зачепив внутрішній стегновий нерв препаріруемого тваринного, ніжки сіпнулися. Поруч, на столі стояв електростатичний генератор, на приладі проскочила іскра. Луїджі Гальвані негайно загорівся ідеєю повторити досвід. Що вдалося. І знову на машині проскочила іскра.
Утворилася паралель зв'язку з електрикою, і Гальвані забажав дізнатися, чи стане на жабу діяти подібним чином гроза. Виявилося, що природні катаклізми не роблять помітного впливу. Жаби, прикріплені мідними гачками за спинний мозок до залізної огорожі, смикав незалежно від погодних умов. Досліди не вдавалося реалізувати зі 100-відсотковою повторюваністю, атмосфера впливу не чинила. В результаті Гальвані знайшов сонм пар, складених з різних металів, які при зіткненні між собою і нервом викликали посмикування лапок у жаби. Сьогодні явище пояснюють різним ступенем електронегативності матеріалів. Наприклад, відомо, що не можна алюмінієві пластини клепати міддю, метали складають гальванічну пару з яскраво вираженими властивостями.
Гальвані справедливо зауважив, що утворюється замкнуте електричне коло, припустив, що жаба містить тварина електрику, розряджається подібно лейденської банку. Алессандро Вольта не прийняв пояснення. Уважно вивчивши опис експериментів, Вольта висунув пояснення, що струм виникає при об'єднанні двох металів, безпосередньо або через електроліт тіла біологічної істоти. Причина виникнення струму криється в матеріалах, а жаба служить простим індикатором явища. Цитата Вольти з листа, адресованого редактору наукового журналу:
Провідники першого роду (тверді тіла) і другого роду (рідини) при зіткненні в деякій комбінації народжують імпульс електрики, сьогодні не можна пояснити причини виникнення явища. Струм тече по замкнутому контуру і зникає, якщо цілісність ланцюга порушена.
вольтів стовп
Лепту в низку відкриттів вніс Джованні Фаброн, який повідомив, що при розміщенні двох платівок гальванічної пари в воду, одна починає руйнуватися. Отже, явище має відношення до хімічних процесів. А Вольта тим часом винайшов перший джерело живлення, який довгий час служив для дослідження електрики. Вчений постійно шукав способи посилення дії гальванічних пар, але не знаходив. В ході дослідів створена конструкція вольтова стовпа:
- Попарно бралися цинкові і мідні гуртки в щільному зіткненні один з одним.
- Отримані пари поділялися мокрими кружками картону і ставилися один над одним.
Легко здогадатися, вийшло послідовне з'єднання джерел струму, які підсумовуючись, посилювали ефект (різниця потенціалів). Новий прилад викликав при дотику відчутний для руки людини удар. Подібно дослідам Мушенбрук з лейденської банкою. Однак для повторення ефекту потрібен час. Стало очевидно, що джерело енергії має хімічне походження і поступово відновлюється. Але звикнути до поняття нового електрики виявилося непросто. Вольтів стовп поводився подібно зарядженої лейденської банку, але ...
Вольта організовує додатковий експеримент. Постачає кожен з гуртків ізолюючої ручкою, призводить до зіткнення на деякий час, потім розмикає і проводить дослідження електроскопом. На той час уже став відомий закон Кулона, з'ясовується, що цинк зарядився позитивно, а мідь - негативно. Перший матеріал віддав електрони другого. Із зазначеної причини цинкова пластина вольтова стовпа поступово руйнується. Для вивчення роботи призначили комісію, якій представили докази Алессандро. Уже тоді шляхом умовиводів дослідник встановив, що напруга окремих пар складається.
Вольта пояснив, що без мокрих гуртків, прокладаються між металами, конструкція поводиться як дві пластинки: мідна та цинкова. Посилення не відбувається. Вольта знайшов перший ряд електронегативності: цинк, свинець, олово, залізо, мідь, срібло. І якщо виключити проміжні метали між крайніми, «рушійна сила» не змінюється. Вольта встановив, що електрика існує, поки стикаються пластини: сила не видно, але легко відчувається, отже, вона істинна. Вчений 20 березня 1800 року пише президенту Королівського товариства Лондона серу Джозефу Бенксу, до якого звертався вперше і Майкл Фарадей.
Англійські дослідники швидко виявили: якщо на верхню пластину (мідь) капнути води, в зазначеній точці в районі контакту виділяється газ. Вони виконали досвід з обох сторін: дроти підходящої ланцюга уклали в колби з водою. Газ досліджували. Виявилося, що газ горючий, виділяється лише з єдиною боку. З протилежного помітно окислилась дріт. Встановлено, що перше є воднем, а друге явище відбувається внаслідок надлишку кисню. Встановлено (2 травня 1800 роки), що спостережуваний процес - розкладання води під дією електричного струму.
Вільям Крукшенк негайно показав, що аналогічне допустимо зробити з розчинами солей металів, а Волластон остаточно довів ідентичність вольтова стовпа статичної електрики. Як висловився вчений: дія слабкіше, але володіє більшою тривалістю. Мартін Ван Марум і Християн Генріх Пфафф зарядили від елемента лейденську банку. А професор Хампфрі Деві встановив, що чиста вода не може служити в цьому випадку електролітом. Навпаки, чим сильніше рідина здатна окислювати цинк, тим краще діє вольтів стовп, що цілком узгоджувалося з спостереженнями Фаброн.
Кислота набагато покращує працездатність, прискорюючи процес вироблення електрики. Зрештою Деві створив струнку теорію вольтова стовпа. Він пояснив, що метали спочатку мають якесь зарядом, при замиканні контактів викликає дію елемента. Якщо електроліт здатний окислювати поверхню донора електронів, шар виснажених атомів поступово віддаляється, відкриваючи нові шари, здатні давати електрику.
У 1803 році Ріттер зібрав стовп з чергуються гуртків срібла і мокрого сукна, прообраз першого акумулятора. Ріттер зарядив його від вольтова стовпа і спостерігав процес розрядки. Правильне тлумачення явища дав Алессандро Вольта. І лише в 1825 році Огюст де ла Рів довів, що перенесення електрики в розчині здійснюється іонами речовини, спостерігаючи утворення оксиду цинку в камері з чистою водою, відокремленою від сусідньої мембраною. Заява допомогло Берцелиусу створити фізичну модель, в якій атому електроліту представлялися складеними з двох протилежно заряджених полюсів (іонів), здатних диссоциировать. В результаті вийшла струнка картина перенесення електрики на відстань.
Малопотужні джерела електричної енергії
Для живлення переносної електро- і радіоапаратури застосовують гальванічні елементи та акумулятори.
гальванічні елементи - це джерела одноразової дії, акумулятори - джерела багаторазового дії.
Найпростіший гальванічні елемент
Найпростіший елемент може бути виготовлений з двох смужок: мідної та цинкової, занурених у воду, злегка підкислену сірчаною кислотою. Якщо цинк досить чистий, щоб бути вільним від місцевих реакцій, ніяких помітних змін не відбудеться до тих пір, поки мідь і цинк НЕ будуть з'єднані проводом.
Однак смужки мають різні потенціали одна по відношенню до іншої, і коли вони будуть з'єднані проводом, в ньому з'явиться. У міру цієї дії цинкова смужка буде поступово розчинятися, а біля мідного електрода будуть утворюватися бульбашки газу, що збираються на його поверхні. Цей газ - водень, що утворюється з електроліту. Електричний струм йде від мідної смужки по дроту до цинкової смужці, а від неї через електроліт назад до міді.
Поступово сірчана кислота електроліту заміщається сульфатом цинку, що утворюється з розчиненої частини цинкового електрода. Завдяки цьому напруга елемента зменшується. Однак ще більш сильне падіння напруги викликається утворенням газових бульбашок на міді. Обидва ці дії роблять «поляризацію». Подібні елементи не мають майже ніякого практичного значення.
Важливі параметри гальванічних елементів
Величина напруги, що дається гальванічними елементами, залежить тільки від їх типу і пристрої, т. Е. Від матеріалу електродів і хімічного складу електроліту, але не залежить від форми і розмірів елементів.
Сила струму, яку може давати гальванічний елемент, обмежується його внутрішнім опором.
Дуже важливою характеристикою гальванічного елемента є. Під електричної ємністю мається на увазі ту кількість електрики, яке гальванічний або акумуляторний елемент здатний віддати протягом всього часу своєї роботи, т. Е. До настання остаточного розряду.
Віддана елементом ємність визначається множенням сили розрядного струму, вираженої в амперах, на час в годинах, протягом якого розряджався елемент аж до настання повного розряду. Тому електрична ємність виражається завжди в ампер-годинах (А х ч).
За величиною ємності елемента можна також заздалегідь визначити, скільки приблизно годин він буде працювати до настання повного розряду. Для цього потрібно ємність розділити на допустиму для цього елемента силу розрядного струму.
Однак електрична ємність не є величиною строго постійною. Вона змінюється в досить великих межах залежно від умов (режиму) роботи елемента і кінцевою розрядної напруги.
Якщо елемент розряджати граничною силою струму і до того ж без перерв, то він віддасть значно меншу ємність. Навпаки, при розряді того ж елемента струмом меншої сили і з частими і порівняно тривалими перервами елемент віддасть повну ємність.
Що ж стосується впливу на ємність елемента кінцевого розрядної напруги, то потрібно мати на увазі, що в процесі розряду гальванічного елемента його робоча напруга не залишається на одному рівні, а поступово знижується.
Поширені види гальванічних елементів
Найбільш поширені гальванічні елементи марганцево-цинкової, марганцево-повітряної, повітряно-цинкової і ртутно-цинкової систем з сольовим і лужним електролітами. Сухі марганцево-цинкові елементи з сольовим електролітом мають початкова напруга від 1,4 до 1,55 В, тривалість роботи при температурі навколишнього середовища від -20 до -60 ° С від 7 ч до 340 ч.
Сухі марганцево-цинкові і повітряно-цинкові елементи з лужним електролітом мають напругу від 0,75 до 0,9 В і тривалість роботи від 6 год до 45 год.
Сухі ртутно-цинкові елементи мають початкова напруга від 1,22 до 1,25 В і тривалість роботи від 24 год до 55 год.
Найбільший гарантійний термін зберігання, що досягає 30 місяців, мають сухі ртутно-цинкові елементи.
Це вторинні гальванічні елементи.На відміну від гальванічних елементів в акумуляторі ж відразу після складання ніякі хімічні процеси не виникають.
Щоб в акумуляторі почалися хімічні реакції, пов'язані з рухом електричних зарядів, потрібно відповідним чином змінити хімічний склад його електродів (а частиною і електроліту). Ця зміна хімічного складу електродів відбувається під дією що пропускається через акумулятор електричного струму.
Тому, щоб акумулятор міг давати електричний струм, його попередньо потрібно «зарядити» постійним електричним струмом від якогось стороннього джерела струму.
Від звичайних гальванічних елементів акумулятори вигідно відрізняються також тим, що після розряду вони знову можуть бути заряджені. При гарному догляді за ними і при нормальних умовах експлуатації акумулятори витримують до декількох тисяч зарядів і розрядів.
пристрій акумулятора
В даний час найбільш часто на практиці застосовують свинцеві і кадмієво-нікелеві акумулятори. У перших електролітом служить розчин сірчаної кислоти, а у других - розчин лугів у воді. Свинцеві акумулятори називають також кислотними, а кадмієво-нікелеві - лужними.
Принцип роботи акумуляторів заснований на поляризації електродів. Найпростіший кислотний акумулятор влаштований таким чином: це дві свинцеві пластини, опущені в електроліт. В результаті хімічної реакції заміщення пластини покриваються слабким нальотом сірчанокислого свинцю PbSO4, як це випливає з формули Pb + H 2 SO 4 \u003d PbSO 4 + Н 2.
Пристрій кислотного акумулятора
Такий стан пластин відповідає розрідженому внутрішньому акумулятора. Якщо тепер акумулятор включити на заряд, т. Е. Під'єднати його до генератора постійного струму, то в ньому внаслідок електролізу почнеться поляризація пластин. В результаті заряду акумулятора його пластини поляризуються, т. Е. Змінюють речовина своїй поверхні, і з однорідних (PbSO 4) перетворюються в різнорідні (Pb і Рb О2).
Акумулятор стає джерелом струму, причому позитивним електродом у нього служить пластина, покрита двоокисом свинцю, а негативним - чиста свинцева пластина.
До кінця заряду концентрація електроліту підвищується внаслідок появи в ньому додаткових молекул сірчаної кислоти.
В цьому одна з особливостей свинцевого акумулятора: його електроліт не залишається нейтральним і сам бере участь в хімічних реакціях при роботі акумулятора.
До кінця розряду обидві пластини акумулятора знову покриваються сірчанокислим свинцем, в результаті чого акумулятор перестає бути джерелом струму. До такого стану акумулятор ніколи не доводять. Внаслідок освіти сірчанокислого свинцю на пластинах, концентрація електроліту в кінці розряду знижується. Якщо акумулятор поставити на заряд, то знову можна викликати поляризацію, щоб знову поставити його на розряд і т. Д.
Існує кілька способів заряду акумуляторів. Найбільш простий - нормальний заряд акумулятора, який відбувається в такий спосіб. Спочатку протягом 5 - 6 ч заряд ведуть подвійним нормальним струмом, поки напруга на кожній акумуляторній банку не досягне 2,4 В.
Нормальний зарядний струм визначають за формулою I зар \u003d Q / 16
де Q - номінальна ємність акумулятора, Ач.
Після цього зарядний струм зменшують до нормального значення і продовжують заряд і протягом 15 - 18 год, до появи ознак кінця заряду.
сучасні акумулятори
Кадмієво-нікелеві, або лужні акумулятори, з'явилися значно пізніше свинцевих і в порівнянні з ними є більш досконалі хімічні джерела струму. Головна перевага лужних акумуляторів перед свинцевими полягає в хімічній нейтральності їх електроліту по відношенню до активних мас пластин. Завдяки цьому саморозряд у лужних акумуляторів виходить значно менше, ніж у свинцевих. Принцип дії лужних акумуляторів також заснований на поляризації електродів при електролізі.
Для живлення радіоапаратури випускають герметичні кадмієво-нікелеві акумулятори, які працездатні при температурах від -30 до +50 о С і витримують 400 - 600 циклів заряд-розряд. Ці акумулятори виконують у формі компактних паралелепіпедів і дисків з масою від декількох грамів до кілограмів.
Випускають нікель-водневі акумулятори для енергопостачання автономних об'єктів. Питома енергія нікель-водневого акумулятора складає 50 - 60 Вт ч кг -1.
