Гальванічні елементи.

Гальванічні елементи.

Гальванічний елемент — хімічний джерело електричного струму, названий на честь Луїджі Гальвані. Принцип дії гальванічного елемента заснований на взаємодії двох металів через електроліт, що приводить до виникнення в замкнутій ланцюга електричного струму.

clip_image002Прикладом гальванічного елемента може бути елемент конструкції італійського фізика Алессандро Вольти (1799 р.).

Мідна і цинкова пластинки занурені у водний розчин сірчаної кислоти clip_image003. Цинк і мідь розчиняються в кислоті. У результаті хімічних процесів мідь стає позитивним електродом (зарядженим позитивно стосовно цинку), а цинк — негативним. Через зовнішній провідник R іде струм при замкненні ключа К (за напрям струму прийнятий напрям руху зарядів від позитивного електрода до негативного).

clip_image004

Гальванічні елементи— це джерела струму з не відновлюваним запасом електричної енергії (наприклад, батарейки для калькуляторів, годинників, ліхтариків

До винаходу гальванічних елементів єдиним джерелом електрики були електричні електростатичні машини (назва походить від грецького слова «електрон» — бурштин; зі старовини була відома здатність шматків бурштину заряджатися при терті і притягати легкі предмети). У цих машинах електричний заряд виникає за рахунок тертя.

clip_image006Створенню постійних джерел струму сприяло відкриття, зроблене наприкінці XVІІІ в. італійським професором анатомії Луїджи Гальвані.

Гальвані препарував жабу, а неподалік стояла електростатична машина. Коли вістря скальпелю торкнулося стегнових нервів, то, як писав Гальвані, «негайно всі м’язи кінцівок почали так скорочуватися, що здавалися запалими в найсильніші тонічні судороги». Помічник Гальвані помітив, що в цей самий момент між полюсами машини проскочила іскра.

Такі ж результати були згодом отримані і на інших тваринах і не тільки холоднокровних. Електричну машину в досліді з жабою цілком міг замінити розряд у лейденській банці і, як згодом з’ясувалося, атмосферний розряд — блискавка. Гальвані пояснив це незвичайне явище існуванням деякої «тваринної електрики». На його думку, м’язи і нерви утворюють як би дві обкладки лейденської банки і можуть накопичувати електрику. Дійсно, так і відбувається в електричних риб і скатів: у них є досить ємні природні конденсатори. Але це стало відомо набагато пізніше. Гальвані ж, сам того не підозрюючи, передбачив досвіди німецького фізика Генріха Рудольфа Герца, що за допомогою іскри одержав радіохвилі, а потім зміг їх прийняти на відстані декількох метрів. Тільки в Герца приймачем служив дротовий прямокутник — антена з іскровим проміжком (дуже слабкі іскорки в приймачі він спостерігав у темряві за допомогою лупи), тоді як у Гальвані роль антени виконував скальпель, а детектором був нерв жаби.

Однак у деяких досвідах жаб’ячі м’язи скорочувалися без усяких видимих причин: ні грози, ні електричної машини поблизу не було. Виявилося, що це відбувається в тих випадках, коли м’яз і нерв з’єднані металевим дротом, і особливо сильно — якщо цей дріт складений із двох різних металів; сильніше інших діяла пара залізо-срібло.

Розкрити природу відкритого Гальвані явища вдалось італійському фізику Алессандро Вольта. Спочатку він узагалі не повірив Гальвані, але, повторивши його досліди, переконався в тім, що явище дійсне існує. Однак досліди з дротом він пояснив зовсім інакше: електрика виникає при контакті різних металів, а жаба — це просто дуже чуттєвий прилад для виміру і до утворення електрики як такого відношення не має. Дослідницьким шляхом Вольта розташував метали в ряд таким чином, що чим далі один від одного вони в цьому ряді, тим більше сильний ефект роблять. Хіміки з подивом знайшли, що в такому ж порядку змінюється і хімічна активність металів. В даний час цей ряд називається рядом напруг металів або електродних потенціалів. В основних рисах він має вид Lі… Mg… Zn… Fe… Sn… H… Cu… Ag… Au.

Вольта, крім жаби, використовував і інші способи виміру, наприклад, власний язик: він клав на нього золоту чи срібну монету, а під язик — мідну. Як тільки дві монети з’єднували шматочком дроту, відразу ж у роті відчувався кислий смак, знайомий кожному, хто пробував «на язик» контакти батарейки для кишенькового ліхтаря. Щоб підсилити ефект, Вольта з’єднував пари металів послідовно, так що вийшов ланцюжок, названа по імені винахідника «вольтовым стовпом». Спочатку це були чашечки з розчином кислоти, у яку були опущені металеві смужки, потім — кружечки з цинку і міді (чи срібла), розділені прокладками з папера, тканини, що були пропитані розчином лугу або просто розсолом.

Введення в електричний ланцюг розчинів (Вольта назвав їх провідниками другого роду на відміну від металів — провідників першого роду) виявилося вирішальним у винаході Вольта. У пам’ять про Гальвані, що помер у 1798, Вольта назвав свої елементи гальванічними. Незабаром англійський хірург і хімік Энтони Карлейль виготовив вольтов стовп із 36 послідовно з’єднаних цинкових кружків і монет У перших дослідах з батареєю спостерігалося розкладання води з утворенням газів.

Відомий англійський хімік Гемфрі Дэві виготовив вольтов стовп із мідних і цинкових пластинок, розділених водяним розчином аміаку. Перша його батарея складалася з 60 таких елементів, а через кілька років довів їхню кількість до тисячі. За допомогою цієї батареї він провів знамениті досвіди по виділенню нових елементів — лужних і лужноземельних металів.

Ще більш грандіозну батарею побудував за кілька років до Дэві росіянин фізик-самовучка Василь Володимирович Петров. У 1802 році він створив батарею, що складається з 4200 мідних і цинкових пластин. Між металевими кружками прокладалися картонні кружки, просочені розчином хлориду амонію. «Стовп Петрова», на відміну від вольтова стовпа, розташовувався горизонтально в сухих вузьких дерев’яних шухлядках. Уся батарея була складена з чотирьох рядів, кожен довжиною близько 3 м, з’єднаних послідовно мідними дужками. Про важкість роботи з цією батареєю свідчить такий факт: щоб очистити тільки 40 пластин після їхнього окислювання помічнику Петрова було потрібно не менш години! Теоретично така батарея може давати напругу до 2500 вольт. За допомогою цієї гігантської батареї Петров провів безліч дослідів: він розкладав різні речовини, у тому числі органічні, а також оксиди металів — ртуті, свинцю й олова. У 1803 Петров вперше у світі одержав електричну дугу і вказав на можливість її практичного застосування; так, з її допомогою йому вдалося розплавити метали, яскраво висвітлювати великі приміщення.

При роботі гальванічного елемента, коли через нього і через зовнішній ланцюг йде струм, напруга на електродах знижується; це зниження за законом Ома залежить від внутрішнього опору елемента (звичайно воно складає від 1 до 20 Ом) і від сили струму. Для деяких елементів це зниження невелике і не перевищує 0,1 В, для інших може бути значно великим. Стосовно до джерел струму зниження напруги на електродах при роботі елемента називається поляризацією. Вона залежить від хімічної природи і конструкції електродів, від складу і концентрації електроліту, щільності струму, температури. Так називана хімічна поляризація часто спостерігається при виділенні на електродах водню і кисню. Величина такої поляризації в дуже сильному ступені залежить від матеріалу електрода. Наприклад, якщо в елементі Вольта замінити мідний електрод на платиновий, то напруга елемента зросте майже на 0,5 В. Якщо ж замість мідного електрода узяти свинцевий, то напруга, навпаки, упаде приблизно на 0,6 В. Різниця між експериментальним і теоретичним потенціалом електрода для даної концентрації іонів водню і щільності струму називається перенапругою водню на цьому електроді. Поляризація відіграє роль і в процесах електролізу: якби її зовсім не було, розряд іонів водню йшов би вже при дуже малій напрузі на електродах, чого не спостерігається.

Значно удосконалив гальванічний елемент і зробив його зручним для практичного використання французький інженер Жорж Лекланше в 1867 Як деполяризатор він використовував діоксид марганцю, що на катоді відновлюється, перешкоджаючи виділенню газоподібного водню:

MnО2 + 4H+ + 2e = Mn2+ + 2H2O. Спочатку електролітом служив водяний розчин хлориду амонію; потім Лекланше став використовувати електроліт, загущений клейстером.

В даний час елементи Лекланше — найдешевші, і випускаються мільярдами. Цьому сприяє приступність і дешевина сировини: цинк дешевше міді, а MnО2 — найпоширеніша сполука марганцю в природі (мінерал піролюзит).

Створюємо гальванічний елемент

clip_image008

Візьмемо мідну й цинкову пластинки та очистимо їхні поверхні. Між пластинками покладемо тканину, змочену в слабкому розчині сульфатної кислоти. Виготовлений пристрій являє со-бою найпростіше хімічне джерело електричного струму — гальванічний елемент . Якщо з’єднати нластинки через гальванометр (чутли-нн іі електровимірювальний прилад, який часто використовують як індикатор наявності слабкого електричного струму), то прилад зафіксує наявність струму.

Нагадаю що уперше гальванічний елемент створив італійський учений фізик А. Вольта і назвав його на честь свого співвітчизника Л. Ґальвані

Зараз широко поширені такі гальванічні елементи:

Тип

ЕР С (В)

Переваги

вугільно-цинкові (сольові)

1,5

дешеві

лужні (жаргонна назва — алкалінові)

1,6

високий струм, ємні

нікельоксігідроксідние (NiOOH)

1,6

високий струм, дуже ємні

літієві

3,0

дуже високий струм, дуже ємні

Поширені сольові та лужні елементи наступних типорозмірів :

Американське назва

Назва МЕК

Назва ГОСТ

Повсякденна назва

AAAA

R61

????

????

AAA

R03

286

мізинчик, мікропальчік

AA

R6

316

пальчик

C

R14

343

дюймовочка

D

R20

373

велика, бочка

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s