Как устроен гальванический элемент

Гальванические элементы. Виды и устройство. Работа и особенности

В первых опытах ученых в емкость с кислотой опускали две металлические пластины: медную и цинковую. Пластины соединяли проводником, после чего на медной пластине появлялись газовые пузырьки, а цинковая пластина стала растворяться. Было доказано, что по проводнику проходит электрический ток. Это исследование начинал итальянский ученый Гальвани, от него и получили название гальванические элементы.

После этого ученый Вольта разработал цилиндрическую форму этого элемента в виде вертикального столбика, включающего в себя набор колец меди, цинка и сукна, соединенных друг с другом, и пропитанных кислотой. Разработанный Вольтом вертикальный элемент полуметровой высоты вырабатывал напряжение, которое мог почувствовать человек.

Гальванические элементы — это источники электрической энергии, вырабатывающие электрический ток методом химического взаимодействия двух металлов в электролите. Химическая энергия в гальванических элементах преобразуется в электрический ток.

Батарейки широко используются для питания разных электронных устройств, приборов, цифровой техники и делятся на три основных вида:

1. Солевые.
2. Щелочные.
3. Литиевые.

 Солевые гальванические элементы

Такие батарейки относятся к марганцево-цинковым элементам питания, и являются наиболее применяемыми в настоящее время.

Достоинствами солевых батареек являются:

• Приемлемые электрические параметры для многих областей использования.
• Удобство применения.
• Малая цена ввиду небольших расходов на изготовление.
• Простая технология изготовления.
• Дешевое и доступное сырье.

Длительное время этот вид батареек является наиболее популярным, благодаря соотношению качества и цены.

Однако в последние годы заводы изготовители уменьшают производство солевых гальванических элементов, и даже отказываются от выпуска, так как требования к источникам питания повышаются производителями электронной техники.

Недостатками солевых батареек являются:

• Малый срок хранения, не более 2-х лет.
• Резкое падение свойств при снижении температуры.
• Резкое уменьшение емкости при повышении рабочего тока до эксплуатационных значений современных потребителей.
• Быстрое уменьшение напряжения во время работы.

Солевые гальванические элементы в конце своего разряда могут потечь, что связано с вытеканием электролита из-за увеличения объема положительного электрода, который выдавливает электролит. Активная масса плюсового электрода состоит из диоксида марганца и электролита. Сажа и графит, добавленный в активную смесь, повышают электропроводность активной смеси.

Их доля равна от 8 до 20% в зависимости от марки батарейки. Для увеличения срока работы окислителя активную смесь насыщают электролитом.

Минусовой электрод изготавливают из очищенного цинка, устойчивого к коррозии. В нем остается небольшая доля кадмия или свинца, являющегося ингибиторами коррозии. Раньше в батарейках в качестве электролита использовали хлорид аммония.

Он участвует в реакции образования тока, создает проходимость ионов. Но такой электролит не показал хороших результатов, и его заменили хлоридом цинка с примесями хлорида кальция.

Марганцево-кислые элементы работают дольше, и показывают лучшие результаты при пониженных температурах.

В солевых гальванических элементах отрицательным полюсом является цинковый корпус 7. Плюсовой электрод 6 изготовлен из активной прессованной массы, пропитанной электролитом. По центру этой массы находится угольный стержень 5, обработанный парафином для удержания влаги в электролите.

Верхняя часть стержня закрыта металлическим колпаком. В сепараторе 4 находится густой электролит. В газовую камеру 1 поступают газы, образованные при работе батарейки. Сверху батарейку закрывают прокладкой 3.

Весь гальванический элемент заключают в футляр 2, выполненный из картона или фольги.

Щелочные батарейки

Щелочные элементы питания появились в середине прошлого века. В них в качестве окислителя выступает диоксид марганца, а в качестве восстановителя порошковый цинк. Это дает возможность увеличить поверхность. Для предохранения от коррозии раньше применялось амальгамирование. Но после запрета на ртуть используют очищенные цинковые порошки с добавлением других металлов и ингибиторов коррозии.

Активным веществом анода щелочной (алкалиновой) батарейки стал очищенный цинк в виде порошка с добавлением алюминия, индия или свинца. Активная смесь катода включает в себя диоксид марганца, ацетиленовую сажу или графит. Электролит алкалиновых батареек состоит из едкого натра или калия с добавлением оксида цинка.

Порошковый анод позволяет значительно повысить использование активной смеси, в отличие от солевых батареек. Алкалиновые батарейки обладают значительно большей емкостью, чем солевые, при равных габаритных размерах. Они хорошо себя показали в работе на морозе.

Особенностью устройства алкалиновых элементов является порошковый цинк, поэтому вместо цинкового стакана используют стальной корпус для положительного вывода. Активная смесь положительного электрода находится возле внутренней стенки стального корпуса. В алкалиновой батарейке есть возможность разместить больше активной смеси положительного электрода, в отличие от солевой.

В активную смесь вставляется целлофановый сепаратор, смоченный электролитом. По центру батарейки проходит латунный отрицательный электрод. Остальной объем между сепаратором и отрицательным токоотводом заполняется анодной пастой в виде порошкового цинка, пропитанного густым электролитом.

Обычно в качестве электролита используют щелочь, насыщенную специальными соединениями цинка. Это дает возможность предотвратить потребление щелочи в начале работы элемента, и снизить коррозию. Масса щелочных батареек выше солевых из-за стального корпуса и большей плотности активной смеси.

По многим основным параметрам алкалиновые гальванические элементы превосходят солевые элементы. Поэтому в настоящее время увеличивается объем производства щелочных батареек.

Литиевые элементы питания

Литиевые гальванические элементы применяются в различных современных устройствах. Они выпускаются различных типоразмеров и видов.

Существуют литиевые батарейки и литиевые аккумуляторы, имеющие между собой большие отличия. Батарейки имеют в составе твердый органический электролит, в отличие от других видов элементов. Литиевые элементы используются в местах, где требуются средние и малые токи разряда, стабильное рабочее напряжение. Литиевый аккумулятор можно перезаряжать определенное количество раз, а батарейки не предназначены для этого, и используются только один раз. Их запрещается вскрывать или перезаряжать.

Основные требования к производству

• Надежная герметизация корпуса. Нельзя допускать утечки электролита и проникновения внутрь других веществ из внешней среды. Нарушение герметичности приводит к их возгоранию, так как литий является высоко активным элементом. Гальванические элементы с нарушенной герметичностью не годятся для эксплуатации.
• Изготовление должно проходить в герметичных помещениях с аргоновой атмосферой и контролем влажности.

Форма литиевых аккумуляторов бывает цилиндрической, дисковой или призматической.

Габариты практически не отличаются от других видов батареек.

Литиевые гальванические элементы обладают более длительным сроком работы, по сравнению с другими элементами. Область применения очень широка:

• Космическая промышленность.
• Авиационное производство.
• Оборонная промышленность.
• Детские игрушки.
• Медицинская техника.
• Компьютеры.
• Фото- и видеокамеры.

Преимущества

• Широкий интервал рабочих температур.
• Компактные размеры и масса.
• Длительная эксплуатация.
• Стабильные параметры в различных условиях.
• Большая емкость.

Недостатки

• Возможность внезапного возгорания при несоблюдении правил пользования.
• Высокая цена, по сравнению с другими видами батареек.

Принцип работы

Действие гальванических элементов основано на том, что два разных металла в среде электролита взаимодействуют между собой, в результате чего во внешней цепи образуется электрический ток.

Такие химические элементы сегодня называют батарейками. Величина напряжения батарейки зависит от применяемых видов металлов и от числа элементов, находящихся в ней. Все устройство батарейки расположено в металлическом цилиндре. Электроды представляют собой металлические сетки с напылением восстановителя и окислителя.

Батарейки не могут восстанавливать утраченные свойства, так как в них осуществляется прямое преобразование химической энергии окислителя и восстановителя в электрическую. Химические реагенты при функционировании батарейки постепенно расходуются, а электрический ток уменьшается.

Отрицательный вывод батарейки выполнен из цинка или лития, он теряет электроны и является восстановителем. Другой положительный вывод играет роль окислителя, его изготавливают из оксида магния или солей металлов.

Состав электролита в обычных условиях не пропускает через себя электрический ток. При замыкании электрической цепи начинается распад электролита на ионы, что обуславливает появление его электрической проводимости.

Электролит состоит чаще всего из раствора кислоты или солей натрия и калия.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/jelektropitanie/galvanicheskie-elementy/

Гальванические элементы. Аккумуляторы

Конспект по физике для 8 класса «Гальванические элементы. Аккумуляторы». Что представляет собой гальванический элемент. Как устроен аккумулятор.

Конспекты по физике    Учебник физики    Тесты по физике

Гальванические элементы.
Аккумуляторы

Для поддержания тока в проводнике необходимо электрическое поле: на концах проводника нужно постоянно создавать заряды противоположных знаков. На практике такое разделение зарядов обычно осуществляется за счёт химических реакций.

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

В конце XVIII в. итальянский физик А. Вольта обнаружил, что при взаимодействии металла с кислотой происходит разделение зарядов. При этом металлическая пластинка, опущенная в раствор кислоты, электризуется отрицательно, а раствор — положительно.

Вольта построил первый химический источник тока, получивший название гальванического элемента (в честь другого итальянского учёного — Л. Гальвани).

Элемент Вольты состоит из цинковой и медной пластинок, опущенных в водный раствор серной кислоты. В результате химических реакций цинковая пластинка заряжается отрицательно, а раствор кислоты и медная пластинка — положительно. Внутри элемента образуется электрическое поле.

Если выводы пластин соединить проводником, то электроны под действием электрического поля начнут двигаться по проводнику, создавая в нём электрический ток. Выводы пластин образуют зажимы, которые называются полюсами.

Элемент Вольты как источник электричества является несовершенным — ток в цепи быстро ослабевает. Поэтому на практике большое распространение получили так называемые сухие гальванические элементы.

Элемент состоит из цинкового сосуда, в который помещён мешочек с двуокисью марганца (МnO2), смешанного с углем. В этот мешочек вставлен угольный стержень, который является положительным полюсом элемента. Отрицательным полюсом является вывод от цинкового сосуда. Вместо раствора элемент содержит густую пасту, состоящую из муки, замешанной на нашатыре.

Обычная плоская батарейка для карманного фонаря состоит из трёх гальванических элементов. При этом угольный стерженёк первого элемента соединён с цинковым сосудом второго, а угольный стерженёк второго соединён соответственно с цинковым сосудом третьего элемента.

Все три элемента помещены в картонную коробку, которая сверху залита слоем изолятора (смолой). Две полоски жести, выведенные через слой изолятора, являются полюсами батареи.

АККУМУЛЯТОРЫ

Срок службы всех гальванических элементов зависит от состояния их электродов (цинка и угля) и качества раствора. С течением времени электроды разрушаются, а качество раствора ухудшается.

Значительно более удобными источниками тока являются аккумуляторы — устройства, у которых электроды практически не разрушаются.

Простейший аккумулятор состоит из прочного сосуда (корпуса), в который залит раствор серной кислоты, и двух свинцовых пластин, опущенных в раствор.

Однако в таком состоянии аккумулятор ещё не будет являться источником тока и в нём необходимо накопить заряд. Для зарядки через аккумулятор пропускают ток от другого источника (зарядного устройства). После зарядки аккумулятор становится источником тока.

Кроме свинцовых (кислотных) аккумуляторов, широкое применение получили железно-никелевые (щелочные) аккумуляторы. Каждая из пластин в таком аккумуляторе (одна железная, а другая из окиси никеля) опущена в раствор едкой щёлочи.

В последние десятилетия наряду с традиционными источниками тока стали широко применяться источники, изготовленные на основе химического элемента лития. Эти источники устойчиво работают в широком диапазоне температур и обладают великолепным — порядка 10 лет и более — сроком службы.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА

Химические источники тока широко применяются в разных областях. Например, аккумуляторы служат для освещения многих транспортных средств, в частности автомобилей, для запуска различных силовых установок, для питания научной аппаратуры и средств связи, устанавливаемых на искусственных спутниках Земли и межпланетных станциях, и т. п.

Широко используемые в настоящее время аккумуляторы для мобильных телефонов — ещё один пример устройств такого типа.

Впечатляет также разнообразие габаритов источников электричества: от миниатюрных батареек для питания ручных часов, лазерных указок, электронных секундомеров и т. д. до мощных аккумуляторных батарей, устанавливаемых на подводных лодках.

Вероятно, первыми гальваническими элементами были найденные при раскопках близ Багдада керамические сосуды, закрытые смоляной пробкой, через которую внутрь сосуда пропущены железные и медные стержни. По оценкам археологов, изготовление этих устройств датируется вторым-третьим тысячелетием до нашей эры. Поразительно и то, что эти устройства «заработали» после того, как в сосуды залили морскую воду.

Луиджи Гальвани (1737—1798) — итальянский врач, один из основателей учения об электричестве, основоположник экспериментальной электрофизиологии.

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Гальванические элементы. Аккумуляторы».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Источник: http://xn--8-8sb3ae5aa.xn--p1ai/galvanicheskie-jelementy-akkumuljatory/

Химические источники тока

Радиоэлектроника для начинающих

К химическим источникам тока причисляют гальванические элементы и аккумуляторы. Есть и другие химические источники тока, но они менее распространены. В обиходе гальванический элемент получил название батарейка. Это не совсем верное определение, так как батарейкой можно назвать несколько отдельных гальванических элементов соединённых вместе – это и есть батарея питания или батарейка.

Узнайте подробнее о правильном соединении элементов питания.

На принципиальных схемах гальванический элемент обозначается так.

Так обозначают один гальванический элемент или один элемент аккумулятора.

Но поскольку номинальное напряжение на одном гальваническом элементе обычно не более 1,5 вольта, их соединяют в батареи питания. Батарея питания на принципиальной схеме обозначается вот так.

Здесь показано, что батарея питания состоит из двух отдельных гальванических элементов. Общее напряжение на полюсах этой составной батареи — 3 вольта из расчёта, что каждый из элементов имеет на полюсах напряжение 1,5 вольта. Также на схемах можно встретить и такое обозначение.

Это тоже условное изображение батареи питания или батарейки на принципиальной схеме, только здесь не уточняется, сколько именно гальванических элементов используется в батарее, а указано лишь общее напряжение на полюсах батареи.

Одиночный аккумуляторный элемент обозначается на схемах так же, как и отдельный гальванический элемент. Номинальное напряжение одного аккумуляторного элемента обычно составляет около 1,25 вольт. Чтобы получить аккумулятор с большим напряжением аккумуляторные элементы соединяют вместе – получается аккумуляторная батарея или просто аккумулятор. Обозначение аккумуляторной батареи на схемах такое же, как и батареи, составленной из гальванических элементов.

Чем гальванический элемент отличается от аккумулятора?

Дело в том, что гальванический элемент сам является источником постоянного тока, который образуется за счёт необратимой химической реакции. Гальванический элемент причисляют к первичным источникам тока.

Аккумулятор является так называемым вторичным источником тока. Почему? Потому, что перед тем, как использовать аккумулятор, его нужно предварительно зарядить от источника постоянного тока — зарядника.

Только после полной зарядки аккумулятор сможет питать электронное устройство. Отличительным качеством аккумуляторов является то, что их можно заряжать и разряжать много раз.

В отличие от аккумулятора, гальваническая батарея питания после своего полного разряда не может быть использована повторно.

Какие существуют батарейки?

Наибольшее распространение в настоящее время получили щелочные батареи питания. Их ещё называют алкалиновыми – производное от английского слова alkaline – «щелочь».

Работа щелочной батарейки основана на окислительно-восстановительной химической реакции между цинком и диоксидом марганца. Результатом, а точнее полезным продуктом этой реакции является электрический постоянный ток и тепло, которое не используется. Электрическая ёмкость щелочной батарейки составлет около 1700 — 3000 мАч. По величине своей ёмкости, щелочные батарейки лидируют по сравнению с солевыми батарейками, электроёмкость которых меньше и составляет 550 — 1100 мАч.

Щелочная батарейка устроена следующим образом. Взглянем на рисунок.

Корпусом элемента является никелированный стальной стакан. Он же является плюсовым контактом батарейки «+». Активная масса представляет собой смесь диоксида марганца (MnO2) и графита.

Анодная паста – это смесь порошка цинка (Zn) и густого щелочного электролита. Электролитом обычно служит раствор гидроксида калия (KOH). Анодная паста отделена от активной массы сепаратором.

Сепаратор разделяет реагенты, исключая их перемешивание и нейтрализацию заряда. Также сепаратор пропитан электролитом.

Отрицательный потенциал снимается с латунного стержня, который окружён анодной пастой. Стальная тарелка контактирует с латунным стержнем – токосъёмником и является отрицательным контактом элемента «—».

Прокладка изолирует никелированный стальной стакан от стальной тарелки, препятствуя тем самым короткому замыканию. Кроме этого прокладка сдерживает давление газа, который в незначительном количестве образуется при химической реакции.

В толще прокладки имеется защитный клапан или по-другому предохранительная мембрана. Защитный клапан служат для того, чтобы при чрезмерном давлении газа сработать и выпустить его наружу. Это предотвращает взрыв щелочного элемента, но и приводит к его разгерметизации.

Как правило, разгерметизация приводит к течи электролита.

Иногда, забыв вынуть уже подсевшие батарейки, через некоторое время можно обнаружить, что в батарейном отсеке появилась какая-то жидкость. Это и есть потёкший электролит. Он может вызвать коррозию контактов. Поэтому на упаковке с батарейками можно найти предупреждение о том, что севшие элементы нужно вынимать из электроприборов. Теперь вы знаете, зачем это нужно делать.
Итак, с устройством разобрались, теперь поговорим о том, как работает щелочной элемент.

Как работает щелочной элемент

Для начала, маленькое отступление
Как вы заметили, почему то анодная паста соединяется с помощью токосъёмника с отрицательным контактом элемента – стальной тарелкой. А ведь анод – это «+». Получается нестыковочка

В чём тут дело? А дело в том, что в электронике есть один каламбур. По умолчанию, за направление тока в электрической цепи считается направление от плюса (анода) к минусу (катоду) – так повелось ещё с тех времён, когда электроника ещё зарождалась.

Но ведь электрический ток, как известно, это упорядоченное движение электронов, которые имеют отрицательный заряд. И поэтому, ток течёт оттуда, где есть избыток электронов, в направлении, где есть нехватка отрицательных зарядов (это и есть плюс – недостаток электронов). При этом получается, что ток течёт в реальности от отрицательного контакта к положительному. Именно поэтому образуется эта нестыковка, которая порой вводит начинающих радиолюбителей в ступор.

В электрохимии анодом принято считать тот электрод, на котором происходит процесс окисления. Так вот в щелочной батарейке (и не только) на аноде в результате окисления образуется избыток электронов. То есть по сути – это катод, «минус». Но, как уже говорилось, в электрохимии всё наоборот. Итак, электроны вырабатываются анодной пастой – смесью цинкового порошка (Zn) и густого электролита (раствора KOH).

Катодом же считается электрод, где происходит реакция восстановления.

Далее электроны, которые были получены в результате реакции окисления, проходят по электрической цепи электронного прибора, и возвращаются опять в батарейку, но уже на катод, где эти электроны используются для восстановительной химической реакции.

Катод – это диоксид марганца. Токоприёмником катода служит никелированный стальной стакан, который контактирует с активной массой – диоксидом марганца (MnO2).

Вот такая игра в наоборот. Напомню ещё раз, что в электронике за направление тока в цепи считается направление от плюса-«анода» к минусу-«катоду». В электрохимии всё наоборот. С этим и связаны особенности в названии реагентов химического источника тока.

Можно ли заряжать батарейки?

Также часто можно слышать вопрос: «Можно ли заряжать батарейки?» Ответим: «Лучше не стоит». Дело в том, что для вырабатывания электрической энергии в батарейках используется необратимая химическая реакция. Поэтому батарейка и является первичным источникам тока.

А вот в аккумуляторах используется обратимая химическая реакция, которая позволяет заряжать и разряжать их множество раз. Поэтому аккумуляторы и называют вторичными источниками тока.

Несмотря на это, известно, что щелочные элементы допускают перезарядку, т.е. их можно зарядить и использовать повторно. Но такие, перезаряжаемые щелочные элементы имеют свою особую конструкцию. Также стоит отметить, что даже такие элементы нельзя перезаряжать много раз, обычно не более 25. В широкой продаже такие щелочные элементы не встречаются. Их маркируют как Rechargeable Alkaline Manganese.

Из всего этого следует, что заряжать обычные щелочные батарейки категорически не стоит. Такие эксперименты могут завершиться взрывом батарейки и разбрызгиванием электролита. А это не есть гуд +опасно для здоровья .

Чтобы замедлить химическую реакцию в щелочном элементе и, тем самым, продлить срок её хранения и снизить саморазряд батареи, в них раньше добавляли кадмий и ртуть. Эти вещества замедляли химическую реакцию, и цинк окислялся медленнее. Но, из-за токсичности ртути и кадмия их сейчас не используют, а применяют другие, менее вредные ингибиторы.

На многих батарейках можно даже увидеть надпись – 0% кадмия и ртути или 0% Hg & Cd. Это своеобразный маркетинговый ход, как бы намекающий на то, что данные батарейки безопасны.

Если вы с успехом дошли до этих строк, то теперь вас можно поздравить, ведь теперь вы знаете, как устроена и работает щелочная батарейка. И поэтому её и не обязательно разбирать . Кроме щелочных элементов питания существуют и другие, но об их устройстве мы расскажем в другой раз.

» Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

• Собираем блок питания своими руками.
• Зачем нужен трансформатор?

Источник: https://go-radio.ru/ximicheskie-istochniki-toka.html

Гальванический элемент. ЭДС

Приветствую, друзья! Статьи по физической химии давно не радовали наших взоров, а потому не будем задерживаться — скорее к делу!

Гальванический элемент

Сразу посмотрим на схему гальванического элемента:

Несколько напоминает процесс электролиза, правда? На самом деле действительно напоминает: у нас есть и анод, и катод, только у анода знак отрицательный, а у катода — положительный, то есть все наоборот.

На данной схеме представлен классический гальванический элемент Даниэля, где анодом является цинк, а катодом — медь. Электроды погружены в растворы соответствующих солей со стандартной концентрацией 1 моль/л, пространство разделено полупроницаемой мембраной, через которую проходят ионы.

Также электроды соединены между собой проводником, по которому движутся электроны слева направо, от анода к катоду.

Стоит отметить, что мембрана может быть заменена солевым мостиком, наполненным гелем какого-либо сильного электролита:

Это необходимо для процесса диффузии: ионы будут метаться от сосуда к сосуду, чтобы компенсировать тот или иной избыточный заряд.

Вообще совсем необязательно, чтобы среда представляла собой соль, соответствующую металлу электрода: это может быть и кислота, и другие соли, ведь нам нужна просто изначально неравновесная система, но классический вариант таков.

А вот гальванический элемент, сошедший со страниц учебников и претворенный в жизнь:

Как видим, все части, описанные на схеме, присутствуют.

Теперь мы имеем понятие о том, как гальванический элемент выглядит, но как он устроен?

Многие наверняка уже догадались, что анод, будучи более активным, чем катод, отдает электроны. Мы помним, что металл представляет собой решетку из катионов, окруженных свободными электронами — «электронным газом».

Попадая в водную среду, некоторые положительно заряженные ионы стремятся покинуть поверхность металла, а обездоленные электроны движутся по нашему проводнику к катоду, то есть анод постепенно разрушается и становится частью всемирной пустоты раствора, в то время как на катоде происходит восстановление, и ионы из раствора переходят в нейтральное состояние, давая нам, собственно, металл.

Окислительно-восстановительный потенциал

В процессе перехода катионов металла в раствор образуется как бы два слоя: поверхность металла полна электронов, а в растворе около этого электрода скопились только что отделившиеся положительные ионы. Разница между этими двумя слоями есть окислительно-восстановительный потенциал, но его нам определить трудно, потому эти данные мы будем брать из таблицы в виде относительных потенциалов, причем за нуль принят потенциал водорода. Выглядит примерно так:

ЭДС

Зато мы можем измерить разницу между потенциалами катода и анода — именно это число нам покажет вольтметр, то есть электродвижущую силу. Если она положительна, то процесс идет самопроизвольно, отрицательна — в обратную сторону, нулю — ну, сами понимаете, это надо два совершенно одинаковых электрода в совершенно одинаковые растворы поместить.

Итого первая формула, которую мы можем вывести:

dE=E(катод)-Е(анод).

Но это для привычных нам 25-ти градусов Цельсия и 1 атм, а также растворов с концентрацией 1 моль/л, то есть простейший идеальный случай. Полная формула называется уравнением Нернста.

В заключение разберем легкую задачку, а именно вычислим ЭДС гальванического элемента, с которого мы начали знакомство с данной темой.

Сначала нужно схематично изобразить ситуацию, и сделать это просто:

анод | среда анода || среда катода | катод, в нашем случае:

Zn | ZnSO4 || CuSO4 | Cu.

Если электроды находятся в одной среде, допустим, в кислоте, то можно записать так:

Zn | HCl | Cu, но это к слову.

Итак, катод — медь, ищем ее потенциал в таблице выше и находим, что он равен +0,337 В. Обратите внимание на форму записи: E(Cu[2+]/Cu), никак иначе. Потенциал анода равен, соответственно, -0,763 В. Вычитаем:

dE = 0,337-(-0,763)=1,100 В.

Число положительное, значит, наш гальванический элемент в деле!

В следующий раз мы разберем более сложные ситуации и познакомимся с новыми формулами, а пока — радуйтесь лету и любите химию!

Источник: https://vk.com/@chemtoday-galvanicheskii-element-eds

Гальванические элементы: самодельная батарея

Каждому из нас знакомы химические источники тока различных типов и форм. Но как это часто случается, мы редко задумываемся о том, как устроен этот совершенно привычный и обыденный предмет. А между тем, появление первых химических источников тока, положило начало превращению электричества из лабораторной диковинки в нашего повседневного помощника. 

В 1790 г. итальянский физиолог Луиджи Гальвани заметил, что лапка препарированной лягушки дергается, если к ней одновременно прикоснуться двумя инструментами из разных металлов. В то время уже было известно, что мышцы могут сокращаться под действием электрического тока, так, что Гальвани правильно приписал это явление действию электрического тока. Правда, он считал, что электрический ток появляется благодаря каким-то физиологическим процессам в лапке лягушки. 

Правильное объяснение этому явлению смог дать другой итальянский ученый Алессандро Вольта.

Он установил, что это явление связано с наличием двух разнородных металлов, соприкасающихся с электролитом, в роли которого выступала кровь лягушки, а сама лапка играла лишь роль чувствительного индикатора электрического тока [1].

Опираясь на свои исследования Вольта в 1799г. создал первый химический источник тока. В этом устройстве Вольта использовал медный и цинковый электроды, погруженные в раствор серной кислоты.

Цинк бурно реагирует с кислотами. В раствор переходят не атомы цинка, а положительные ионы, так что в электроде остается избыток электронов, следовательно, цинковая пластина заряжается отрицательно.

Вообще, большинство металлов при погружении в электролит заряжается отрицательно, на поверхности медной пластинки протекает подобный процесс. Но избыток отрицательных зарядов на медном электроде гораздо меньше, а значит, относительно цинкового электрода его потенциал получается более высоким.

Если соединить внешним проводником медную и цинковую пластины, то электроны начнут перемещаться с цинковой пластины на медную, т.е. в цепи потечет электрический ток [2].

Электрическое напряжение, возникающее между электродами, зависит от того, из каких металлов изготовлены электроды и от их взаимодействия с электролитом. Напряжение, даваемое элементом, никак не зависит от площади пластин. 

Часто напряжения, даваемого одним гальваническим элементом, недостаточно. Тогда их можно соединять последовательно в батареи.

Вообще изготовить химический источник тока совсем нетрудно: надо поместить в электролит две пластинки из разных металлов [3]. Такие гальванические элементы возникают самопроизвольно.

Например, намочил дождь крышу, покрытую оцинкованным железом, на железе наверняка имеются царапины, так, что и железо, и цинк вступили в контакт с водой, которая играет роль электролита.

Цинк в такой паре начнёт активно разрушаться, а вот железо не пострадает, пока не разрушится весь цинк. Именно для этого и покрывают железо слоем цинка. 

По той же самой причине скручивать вместе медные и алюминиевые провода, это, мягко говоря, не самая лучшая идея. В месте контакта начнется гальваническая коррозия, которая приведет к росту электрического сопротивления контакта, что в свою очередь приведет к большему выделению тепла и еще более быстрой коррозии. Все вместе это может стать причиной разрушения соединения и даже пожара.

Нагляднее всего можно пронаблюдать гальваническую коррозию на примере контактов железа с цинком и медью в растворе соли. Железные скрепки были надеты на цинковую и медную пластины и погружены в раствор соли. 

Через сутки скрепка, соединенная с медной пластиной, покрылась ржавчиной. В то время, как скрепка, бывшая в контакте с цинком, совершенно не пострадала.

Ученые составили электрохимический ряд напряжений металлов. Чем дальше друг от друга отстоят металлы в этом ряду, тем более высокое напряжение дает гальванический элемент, составленный из этих металлов. Так пара золото – литий теоретически может дать электродвижущую силу (ЭДС) 4,72 В. Но такая пара в водной среде работать не сможет – литий это щелочной металл, легко реагирующий с водой, а золото стоит слишком дорого для подобного применения. 

На практике элемент Вольта обладает рядом серьёзных недостатков.

1. Во-первых, электролитом ему служит весьма едкая жидкость – раствор серной кислоты. Жидкий электролит всегда представляет собой неудобство или даже опасность. Он может расплескаться, разлиться при повреждении корпуса.
2. Во-вторых, на медном электроде такого элемента будет выделяться водород. Это явление называется поляризацией. По многим свойствам водород весьма близок к металлам, так что его пузырьки создадут дополнительную ЭДС поляризации, стремящейся вызвать ток противоположного направления [2]. Кроме того, пузырьки газа не пропускают электрический ток, что тоже ведет к ослаблению тока. Поэтому приходится периодически встряхивать сосуд, удаляя пузырьки механически, или вводя в состав электролита специальные деполяризаторы.
3. В третьих, в процессе работы гальванического элемента Вольта, цинковый электрод постепенно растворяется. Теоретически, когда гальванический элемент не используют, разрушение цинкового электрода должно прекратиться, но поскольку почти всегда в составе цинка есть примеси других металлов, они при соприкосновении с электролитом играют роль второго электрода, образуя короткозамкнутый элемент, что ведет к гальванической коррозии цинкового электрода [2]. Для того, чтобы устранить этот недостаток, приходится использовать сверхчистый цинк или конструктивно предусматривать возможность извлечения цинкового электрода из электролита. Так что когда батарея не используется, электролит из нее следует сливать.

Но для демонстрационных целей всеми этими недостатками можно пренебречь, если заменить серную кислоту более безопасным электролитом.

Изготовление батарейки

При изготовлении демонстрационной батареи гальванических элементов будем использовать стандартную пару – медь и цинк. Медную фольгу можно найти в некоторых трансформаторах. В крайнем случае, можно сделать медный электрод из свернутой в спираль голой медной проволоки [4].

Цинк можно добыть из разрядившихся солевых элементов питания, как правило, в них остается достаточно много металлического цинка даже, когда элемент непригоден к дальнейшему использованию. Вместо раствора кислоты, возьмем 10% раствор поваренной соли.

В качестве емкости для электролита взяты пластиковые емкости от витаминов объемом примерно 50-100 мл. 

В качестве контактов использованы винты, которые одновременно закрепляю электроды на крышке. При этом крайне желательно крепить медные электроды латунным винтом. Цинковую пластину можно без проблем крепить стальным винтом. Для герметизации под гайку подложена подходящая по размеру резиновая сантехническая прокладка.

Батарея из трех гальванических элементов позволяет питать светодиод.

Напряжение на одном элементе батареи составляет около 1 В.

Ток, отдаваемый в нагрузку, составляет около 0,23 мА

Такого тока достаточно для свечения светодиода. Однако на фотографии это свечение можно заметить, только если снимать при большой светочувствительности.

Такую батарею можно использовать в школе, например для выполнения лабораторной работы, по определению внутреннего сопротивления источника тока [5].

Литература

1. Карцев В., Приключения знаменитых уравнений – М.: Просвещение, 2007 г.
2. Элементарный учебник физики: учеб.пособие. в 3 т. под ред. Г.С.Ландсберга: т.2 Электричество и магнетизм – М.: Физматлит, 2006 г.
3. Зверев И., Элемент? Элементарно!, «Юный техник» №6 2007 г.
4. Юрьев П., ХИТ-парад, но отнюдь не музыкальный, «Юный техник» №2 1994 г.
5. Лекомцев Д., Вокруг обычной батарейки, «Читаем, учимся, играем» №5 2014 г.

Автор материала Denev.

   Форум

   Обсудить статью Гальванические элементы: самодельная батарея

Источник: https://radioskot.ru/publ/nachinajushhim/galvanicheskie_ehlementy_samodelnaja_batareja/5-1-0-1493

Химические источники тока – где применяются, и каков принцип действия

Любая батарейка или аккумулятор дает ток за счет протекающих внутри них химических реакций

Химические источники тока (сокращенно ХИТ) – это источники электродвижущей силы (ЭДС), в которых в электрическую энергию превращается энергия протекающих внутри химических реакций. Используют их сегодня повсеместно – это и современные электромобили и портативная радиоэлектроника, и медицинское оборудование, и портативные компьютеры.

Все это делает источники тока электрохимические очень важным изобретением, которым пользуются вот уже 2-ю сотню лет. Именно про ХИТ мы подробно и поговорим в сегодняшней статье.

Классификация химических источников тока

Все ХИТ принято подразделять на три основные категории:

Как устроены гальванические батареи

• Первичные гальванические элементы – внутри таких источников происходят химические окислительно-восстановительные реакции, энергия которых и переходит в электрическую. Данные реакции являются необратимыми, поэтому элементы невозможно перезарядить.
• Состоят такие батареи из двух электродов, которые имеют разный электродный потенциал, металлического проводника, по которому могут перемещаться электроны, и электролита, который помогает перемещению ионов между электродами.

Интересно знать! Напомним, что именно поток электронов и приводит к возникновению электрического тока.

Вторичный химический источник тока

• Вторичные ХИТ, они же электрические аккумуляторы – тоже являются гальваническими элементами, однако их особенность заключается в том, что возможна перезарядка.
• В отличие от батарей, которые исчерпывают свою работоспособность при разряде, аккумуляторы могут регенерироваться, то есть повторно накапливать энергию и перезапускать цикл химических реакций.
• Возобновление заряда происходит при пропускании через элемент электрического тока, для чего нужна внешняя цепь. Все мы ежедневно заряжаем свои телефоны и смартфоны, ноутбуки и планшеты. Аккумуляторы применяются практически везде, и это не удивительно – их ресурс намного выше, чем у любой первичной батареи в сотни раз, при том, что цена больше до 10-ти раз.
• Прообраз первой аккумуляторной батареи был создан в далеком 1803 году немецким физиком-химиком И. Риттером. Его устройство имело в составе пятьдесят медных кружков, между которыми было проложено влажное сукно. Когда через него проходил ток от Вольтова столба, изделие само становилось источником электрического тока.

Топливный источник тока химический

• Последним типом химических источников тока являются топливные элементы, или электрохимические генераторы. Основное отличие их от гальванических элементов это то, что вещества необходимые для электрохимической реакции подаются внутрь извне, а продукты от реакций, наоборот, удаляются.
• Подобный подход позволяет организовать долгую непрерывную работу без фактической перезарядки.
• Впервые применять топливные источники тока стали во второй половине 20-го века, несмотря на то, что основные принципы функционирования были открыты в далеком 1839 году. В 1965 году их впервые задействовали в космической технике – это был элемент КК «Джемини». Его изначальное расчетное время работы составляло от суток, до 2-х месяцев. Эти элементы имели достаточное преимущество перед солнечными батареями с буферными химическими батареями в плане массы и габаритов, а также удельной мощности.
• Первая топливная батарея КК «Джемини» состояла из 3 блоков по 32 элемента, каждый из которых выдавал напряжение в 0,8В, и работала на газообразном топливе (кислород и водород).

Характеристики гальванических источников тока

Щелочные аккумуляторы и их свойства

Характеристика химических источников тока включает в себя следующие параметры:

Уравнение Нернста для электродного потенциала

• Электродвижущая сила – этот параметр гальванического элемента зависит от состава используемого электролита и типов металлов, из которых изготовлены электроды. Описывают ЭДС термодинамические функции (уравнение Нернста), приложенные к протекающим электрохимическим процессам.

Измеряется емкость обычно в миллиамперах в час

• Емкость элемента питания – тут все просто, имеется в виду количество энергии, которое элемент может отдать при разряде. Данный параметр напрямую зависит от массы запасенного в батарее реагентов и скорости их превращения. Емкость элемента будет снижаться, если элемент будет охлажден, либо вырастет ток разряда.
• Энергия гальванического элемента. Этот параметр высчитывается путем перемножения емкости на выдаваемое напряжение. Энергия будет уменьшаться по мере роста разрядного тока. Обратный эффект будет достигнут при росте температуры (до определенного уровня) и увеличении используемых реагентов.

Прототип гальванической батареи

• Сохраняемость – по сути, срок годности элемента, в течение которого он способен не менять своих основных характеристик в допустимых пределах.

Совет! Чем выше температура, тем быстрее сокращается срок хранения.

• Плотность энергии – количество запасенной энергии в расчете на единицу массы аккумулятора или его объема.
• Саморазряд первичного химического источника тока – очень важный параметр, указывающий на потерю емкости батареей без подключенной к ней нагрузки. То есть параметр фактически сопоставим со сроком службы элемента.
• Саморазряд химических источников тока вторичных, по сути, то же самое, однако этот параметр меняется во времени. Особенно высоко его значение после полной подзарядки аккумулятора, но по мере разрядки он ослабевает.

Интересно знать! Для никель-кадмиевых аккумуляторов, функционирующих исправно, не допускается потеря более 10% от максимального заряда за 1 сутки. Никель-металлгидридные имеют меньший показатель, а у литий-ионных этот эффект практически отсутствует, растягиваясь на месяцы. Герметичные кислотные аккумуляторы потеряют за год всего 40% своего заряда, однако, если температура воздуха будет выше 20 градусов, процесс потечет куда быстрее, и наоборот, приближаясь к нулю – будет замедляться.

Более подробное строение элементов

Гальваническая батарейка в разрезе

Мы уже дали определение химических источников тока и назвали их основные типы. Теперь давайте рассмотрим немного глубже, как они устроены, и какие химические реакции внутри протекают.

• Итак, начнем с первичных гальванических элементов. В их состав входят реагенты (окислители и восстановители), которые участвуют в прямом преобразовании энергии. Выработка тока прекращается после того, как реагенты полностью израсходуются.
• В качестве примера того, как функционирует элемент, давайте опишем давно известное устройство Даниэля-Якоби. Выше представлена его схема.
• Итак, два электрода (цинковый и медный) опущены в колбы наполненные растворами сульфатов цинка и меди, соответственно.
• Растворы разъединены внутренней цепью (полупроницаемой перегородкой), а электроды соединяются внешней цепью (металлический проводник) через гальванометр, обозначенный на схеме как 2.

• Когда цепь замкнута, на обоих электродах протекают процессы гидратации ионов металлов. Между самим металлом и его ионами в растворе устанавливается химическое равновесие.
• В связи с тем, что цинк и медь имеют разную активность электродных потенциалов, электроды приобретают разный заряд по величине, то есть концентрация свободных электронов на них будет значительно отличаться.
• Как только будет замкнута внешняя цепь, концентрация электронов придет в равновесие и они по внешнему проводнику начнут перемещаться от цинкового электрода к медному.
• По этой причине концентрация электронов на цинковом электроде начинает уменьшаться, из-за чего происходит смещение равновесия на границе Zn|ZnSO4 в сторону катионов цинка (их образования). Другими словами цинк начинает растворяться.
• С медным электродом происходит обратный процесс – равновесие смещается в другую сторону и начинает образовываться металлическая медь, или другими словами – медь начинает восстанавливаться.
• Если говорить более конкретно, то на цинковом электроде происходит процесс окисления, который в электрохимии называется анодным процессом, а сам электрод – анодом. На медном электроде (катоде) – процесс восстановления, называемый еще катодным.

Классическая солевая батарейка

• Наиболее широко распространились элементы питания, состоящие из марганца и цинка. Они не содержат раствора электролита, поэтому называются сухими.
• Эти элементы при всем конструкционном многообразии делят всего лишь на два типа, в зависимости от рН электролита и состава: солевые и щелочные. Для солевых марганцево-цинковых элементов (МЦ) используется электрохимическая схема Лекланше (Zn|NH4Cl|MnO2) – в качестве катода выступает цинковый электрод, в качестве анода – электрод их диоксида марганца и графита, а электролитом является паста из муки или крахмала с раствором хлорида аммония.
• В щелочных элементах питания применяется другая схема (Zn|KOH|MnO2). При этом электроды делаются из тех же материалов, а в качестве электролита применяется паста из гидроксида калия.
• Такие элементы обладают большей емкостью, лучше переносят низкие температуры и высокие разрядные токи. Однако они намного сложнее солевых источников, почему и имеют значительно большую цену.
• Данные элементы имеют многоцелевое назначение и применяются в быту повсеместно. Они могут выступать источниками автономного питания для любой радиоаппаратуры, фотоаппаратов, калькуляторов, различных тестовых приборов, часов, фонариков, для запитки схем Биоса материнских плат персональных компьютеров и прочего.

Процесс зарядки аккумуляторных батарей

• Аккумуляторы, или вторичные химические источники тока – отличает эти элементы то, что благодаря воздействию внешнего тока, электрическая энергия может переходить в химическую, а при подключении внешней цепи происходит обратный процесс.
• Одним из часто встречающихся типов таких устройств являются свинцовые аккумуляторы, которые также называют и кислотными.

Источник: https://elektrik-a.su/teoriya/himicheskie-istochniki-toka-1132

Что такое анод и катод — простое объяснение

Среди терминов в электрике встречаются такие понятия как анод и катод. Это касается источников питания, гальваники, химии и физики. Термин встречается также в вакуумной и полупроводниковой электронике. Им обозначают выводы или контакты устройств и каким электрическим знаком они обладают. В этой статье мы расскажем, что это такое анод и катод, а также как определить где они находятся в электролизере, диоде и у батарейки, что из них плюс, а что минус.

Электрохимия и гальваника

В электрохимии есть два основных раздела:

1. Гальванические элементы – производство электричества за счет химической реакции. К таким элементам относятся батарейки и аккумуляторы. Их часто называют химическими источниками тока.
2. Электролиз – воздействие на химическую реакцию электроэнергией, простыми словами – с помощью источника питания запускается какая-то реакция.

Рассмотрим окислительно-восстановительную реакцию в гальваническом элементе, тогда какие процессы протекают на его электродах?

• Анод – электрод на котором наблюдается окислительная реакция, то есть он отдаёт электроны. Электрод, на котором происходит окислительная реакция – называется восстановителем.
• Катод – электрод на котором протекает восстановительная реакция, то есть он принимает электроны. Электрод, на котором происходит восстановительная реакция – называется окислителем.

Отсюда возникает вопрос – где плюс, а где минус у батарейки? Исходя из определения, у гальванического элемента анод отдаёт электроны.

Важно! В ГОСТ 15596-82 дано официальное определение названий выводов химических источников тока, если кратко, то плюс на катоде, а минус на аноде.

В данном случае рассматривается протекание электрического тока по проводнику внешней цепи от окислителя (катода) к восстановителю (аноду). Так как электроны в цепи текут от минуса к плюсу, а электрический ток наоборот, тогда катод – это плюс, а анод – это минус.

Внимание: ток всегда втекает в анод!

Или то же самое на схеме:

Процесс электролиза или зарядки аккумулятора

Эти процессы похожи и обратны гальваническому элементу, поскольку здесь не энергия поступает за счет химической реакции, а наоборот – химическая реакция происходит за счет внешнего источника электричества.

В этом случае плюс источника питания всё также называется катодом, а минус анодом. Зато контакты заряжаемого гальванического элемента или электроды электролизера уже будут носить противоположные названия, давайте разберемся почему!

Важно! При разряде гальванического элемента анод – минус, катод – плюс, при зарядке наоборот.

Так как ток от плюсового вывода источника питания поступает на плюсовой вывод аккумулятора – последний уже не может быть катодом. Ссылаясь на вышесказанное можно сделать вывод, что в этом случае электроды аккумулятора при зарядке условно меняются местами.

Тогда через электрод заряжаемого гальванического элемента, в который втекает электрический ток, называют анодом. Получается, что при зарядке у аккумулятора плюс становится анодом, а минус катодом.

Гальванотехника

Процессы осаждения металлов в результате химической реакции под воздействием электрического тока (при электролизе) называют гальванотехникой. Таким образом мир получил посеребренные, золоченные, хромированные или покрытые другими металлами украшения и детали. Этот процесс используют как в декоративных, так и в прикладных целях – для улучшения стойкости к коррозии различных узлов и агрегатов механизмов.

Принцип действия установок для нанесения гальванического покрытия лежит в использовании растворов солей элементов, которыми будут покрывать деталь, в качестве электролита.

В гальванике анод также является электродом, к которому подключаются плюсовой вывод источника питания, соответственно катод в этом случае – это минус. При этом металл осаждается (восстанавливается) на минусовом электроде (реакция восстановления). То есть если вы хотите сделать позолоченное кольцо своими руками – подключите к нему минусовой вывод блока питания и поместите в ёмкость с соответствующим раствором.

В электронике

Электроды или ножки полупроводниковых и вакуумных электронных приборов тоже часто называют анодом и катодом. Рассмотрим условное графическое обозначение полупроводникового диода на схеме:

Как мы видим, анод у диода подключается к плюсу батареи. Он так называется по той же причине – в этот вывод у диода в любом случае втекает ток. На реальном элементе на катоде есть маркировка в виде полосы или точки.

У светодиода аналогично. На 5 мм светодиодах внутренности видны через колбу. Та половина, что больше — это катод.

Также обстоит ситуация и с тиристором, назначение выводов и «однополярное» применение этих трёхногих компонентов делают его управляемым диодом:

У вакуумного диода анод тоже подключается к плюсу, а катод к минусу, что изображено на схеме ниже. Хотя при приложении обратного напряжения – названия этих элементов не изменятся, несмотря на протекание электрического тока в обратном направлении, пусть и незначительного.

С пассивными элементами, такими как конденсаторы и резисторы дело обстоит иначе. У резистора не выделяют отдельно катод и анод, ток в нём может протекать в любом направлении. Вы можете дать любые названия его выводам, в зависимости от ситуации и рассматриваемой схемы. У обычных неполярных конденсаторов также. Реже такое разделение по названиям контактов наблюдается в электролитических конденсаторах.

Заключение

Итак, подведем итоги, ответив на вопрос: как запомнить где плюс, где минус у катода с анодом? Есть удобное мнемоническое правило для электролиза, заряда аккумуляторов, гальваники и полупроводниковых приборов. У этих слов с аналогичными названиями одинаковое количество букв, что проиллюстрировано ниже:

Во всех перечисленных случаях ток вытекает из катода, а втекает в анод.

Пусть вас не собьёт с толку путаница: «почему у аккумулятора катод положительный, а когда его заряжают – он становится отрицательным?». Помните у всех элементов электроники, а также электролизеров и в гальванике – в общем у всех потребителей энергии анодом называют вывод, подключаемый к плюсу. На этом отличия заканчиваются, теперь вам проще разобраться что плюс, что минус между выводами элементов и устройств.

Источник: https://samelectrik.ru/chto-takoe-anod-i-katod.html